Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
L'interaction entre lumière et matière joue souvent un rôle fondamental dans la conception et la réalisation de systèmes d'information quantique. Cet article décrit quelques principes du traitement quantique de l'information, puis les techniques optiques permettant la manipulation des états quantiques de la matière. Les matériaux présentés sont principalement des cristaux dopés par des ions de terres rares. Après une revue de leurs propriétés pertinentes, leurs applications aux mémoires et processeurs quantiques sont exposées.
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Light-matter interaction often plays a fundamental role in the design and implementation of quantum information systems. This paper describes a few principles of quantum information processing, and the optical techniques allowing the manipulation of quantum states of matter. The materials presented are mainly rare earth doped crystals. After a review of their relevant properties, their application to quantum memories and processors is discussed.
Auteur(s)
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Thierry CHANELIÈRE : Chargé de recherche au CNRS, laboratoire Aimé Cotton – CNRS, Orsay, France
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Anne LOUCHET-CHAUVET : Chargée de recherche au CNRS, laboratoire Aimé Cotton – CNRS, Orsay, France
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Alban FERRIER : Maître de conférences à l'université Pierre et Marie Curie, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech, Paris, France
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Philippe GOLDNER : Directeur de recherche au CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris, Chimie ParisTech, Paris, France
INTRODUCTION
L'idée d'information quantique est née au début des années 1980 partant d'un état de fait : il était difficile de simuler le comportement d'un système quantique à partir d'ordinateurs classiques. Ce constat a déclenché la conception d'algorithmes théoriques de traitement de l'information basés sur les lois de la mécanique quantique. Leur mise en œuvre pratique a demandé d'une part d'identifier un système physique suffisamment bien maîtrisé pour qu'il soit régi par les lois quantiques et d'autre part d'adapter les algorithmes à la réalité du terrain expérimental.
Cette quête du système idéal a naturellement impliqué plusieurs domaines de la physique allant de la physique atomique à celle du solide. La chimie n'est pas en reste puisqu'elle apporte une contribution essentielle dans le développement de nouveaux matériaux. La mise au point de cristaux optiquement actifs dans ce contexte est emblématique d'une approche interdisciplinaire.
La matérialisation expérimentale d'objets quantiques revêt systématiquement un enjeu fondamental puisqu'elle permet de répondre aux questions que les pères fondateurs de la mécanique quantique n'abordaient que par la réflexion.
Dans le cas précis des cristaux optiques, la problématique stimule des développements nouveaux alors que leur utilisation comme cristaux laser semblait les avoir portés à leur apogée. Le jeu des contraintes nouvelles a permis des évolutions dans leur fabrication, mais aussi dans la compréhension et le contrôle de la dynamique des atomes optiquement actifs.
Quel que soit le système physique, les mises en œuvre stimulent largement le domaine applicatif : de façon directe puisque quelques PME proposent des produits basés sur le traitement quantique de l'information pour la cryptographie, la génération de nombres aléatoires et très récemment pour le calcul quantique ; mais aussi de façon indirecte, puisqu'avec la miniaturisation des circuits, le comportement des électrons devient quantique. Pour que la limite floue entre mondes classique et quantique ne se révèle pas être un verrou technologique, il est important de mieux en comprendre les lois dès maintenant.
L'objectif de notre article est d'une part d'introduire les notions d'information quantique en tant que concept, de présenter les outils de sa manipulation et d'autre part de montrer dans ce contexte l'intérêt des cristaux dopés terres rares.
Nous passons en revue quelques réalisations phares actuellement à l'état de l'art pour ce domaine en devenir.
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KEYWORDS
qubits | coherent driving | crystal growth | laser control
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Matériaux
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2. Interaction lumière-matière
Derrière des processus très fondamentaux de l'interaction lumière-matière comme l'absorption, l'émission stimulée ou spontanée, se cache une solide boîte à outils pour le contrôle et la manipulation de l'information quantique.
La lumière est effectivement un outil de choix pour interroger la matière à la fois pour des raisons historiques puisque la spectroscopie fut indispensable à la compréhension de l'atome, mais aussi beaucoup plus récemment grâce aux progrès des lasers.
Le rayonnement électromagnétique montre ses deux facettes complémentaires dans le domaine de l'information quantique. D'un côté, on utilise le rayonnement laser comme un outil idéal et versatile de manipulation des qubits atomiques. D'un autre côté, le photon peut être le porteur direct de l'information que l'on souhaite inscrire dans la matière. Ce transfert d'états quantiques correspond à la conversion d'un qubit photonique vers un qubit atomique.
Dans tous les cas, une connaissance des principes fondamentaux de l'interaction matière-rayonnement est nécessaire. Nous allons en décrire les principes généraux.
2.1 Manipulation de qubits
À l'inverse de la spectroscopie où l'on utilise le rayonnement comme une sonde de l'état du système, il est aussi possible d'agir sur cet état au moyen de lasers. Avant de décrire les quelques outils qui permettent la manipulation de qubits allant de leur initialisation à leur lecture en passant par le contrôle d'un état arbitraire, il est indispensable de parler des oscillations de Rabi.
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Isidor Rabi n'avait certainement pas conscience à la fin des années 1930 que ses recherches fondamentales auraient tant d'importance dans la seconde moitié du siècle. L'application phare des oscillations décrites par Rabi reste l'imagerie par résonance magnétique (IRM). Le phénomène est alors utilisé pour manipuler le spin des noyaux d'hydrogène présents dans le corps humain à partir d'un rayonnement radiofréquence (RF). Il se généralise dans des gammes d'énergie différentes du spectre électromagnétique allant du domaine RF avec le spin des noyaux à l'optique en excitant...
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Interaction lumière-matière
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - EINSTEIN (A.), PODOLSKY (B.), ROSEN (N.) - Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete ? - Phys. Rev., 47(10), p. 777 (1935).
-
(2) - KIMBLE (H.J.) - The quantum internet. - Nature, 453, p. 1023-1030 (2008).
-
(3) - SHOR (P.W.) - Polynomial-time algorithms for prime factorization and discrete logarithms on quantum computer. - SIAM Journal on Computing, 26(5), p. 1484-1509 (1997).
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(4) - GROVER (L.K.) - Quantum mechanics helps in searching for a needle in a haystack. - Phys. Rev. Lett., 79, p. 325-328 (1997).
-
(5) - HAROCHE (S.), Nobel Lecture - Controlling photons in a box and exploring the quantum to classical boundary. - Nobelprize.org., Nobel Media AB 2013, Web., 8, nov. 2013.
-
(6) - KÖNZ (F.), SUN (Y.), THIEL (C.W.), CONE (R.), EQUALL (R.), HUTCHESON (R.), MACFARLANE (R.M.) - Temperature...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Liens :
• QUREP : projet européen pour le développement d'un répéteur quantique http://www.quantumrepeaters.eu/
Solutions complètes de sécurisation par cryptographie quantique
Entreprises spécialisées dans le domaine
• IDQ, Genève (Suisse) http://www.idquantique.com/instrumentation/clavis.html
• MagiQ Technologies, Boston (États-Unis) http://www.magiqtech.com/
• D-Wave Systems Inc., Burnaby, British Columbia (Canada) http://www.dwavesys.com/
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