Projet ANR-14-CE26-0037 – DISCRYS : Collaboration Internationale en Chimie: Suppression de la Décohérence  dans les Cristaux par Désordre Chimique Contrôlé
Programme : Sciences et technologies des composants nanoélectroniques et nanophotoniques (DS0710)
Année de financement : 2014
Coordinateur du projet : Monsieur Philippe Goldner (Institut de Recherche de Chimie Paris)
Partenaires : Laboratoire public; Laboratoire public; Agricultural College of the State of Montana
Montant : 297960.0 euros
Date de début : 2014
Durée : 48 mois
Résumé : Supprimer la décohérence par le désordre chimiqueLe projet Franco-américain  DISCRYS vise à développer de nouveaux cristaux dopés terre rare  possédant de longs temps de cohérence grâce à un désordre chimique contrôlé. Cette approche sera appliquée à des cristaux dopés Er3+ pour démontrer une mémoire quantique à la longueur d’onde télécom de 1.5 µm. Ceci pourrait permettre  des avancées importantes en cryptographie quantique commerciale à longue distance.
Mémoires quantiques à base de cristaux dopés terres à longs temps de cohérence utilisant le désordre chimique contrôléLes cristaux dopés terres rares ont été récemment identifiés comme des systèmes très prometteurs dans l'informatique quantique, mais leur performance est encore limitée par la décohérence qui affecte leurs transitions optiques. A basse température, cette décohérence est due à la fluctuation des spins nucléaires et électroniques dans l'environnement des terres rares. Pour résoudre ce problème, des configurations et des protocoles expérimentaux complexes ont été mis en avant. En revanche, DISCRYS propose de supprimer la décohérence par une approche de chimie de l'état solide. En induisant le désordre contrôlé dans des cristaux de haute qualité, la résonance entre la transition de spin voisin peut être perturbée, ce qui inhibe la relaxation par basculement simultané de spins et élimine la décohérence.DISCRYS combinera croissance cristalline, spectroscopie optique avancée et résonance paramagnétique électronique, ainsi que modélisation pour parvenir à une compréhension quantitative des relations entre désordre et décohérence. Nous démontrerons l'efficacité de notre approche en construisant une mémoire quantique fonctionnant à la longueur d'onde télécom de 1,5 µm. Celle-ci est idéalement adaptée à la cryptographie quantique à longue distance par fibre optique. Nous estimons que les cristaux optimisés permettront une amélioration de trois ordres de grandeur de la performance de la mémoire par rapport aux systèmes existants.
Croissance cristalline, spectroscopie optique et résonance paramagnétique électronique, et stockage quantiqueUne série de cristaux de Er:Y2SiO5, un système connu pour ses bonnes propriétés de cohérence, sera d'abord élaborée par des techniques haute température (tirage Czochralski). Un co-dopage spécifique induira un désordre contrôlé. Nous étudierons ensuite le désordre statique à travers des mesures de largeur de raie inhomogène, et le désordre dynamique par des techniques d'écho de photons. Les mesures dynamiques seront effectuées sur différentes échelles de temps et en fonction de la température et du champ magnétique pour révéler les différentes contributions au déphasage, en particulier celles liées à des instabilités de liaisons chimiques. En outre, la résonance de spin électronique déterminera directement les largeurs de raie inhomogène du spin de l'erbium.A partir de ces mesures, un modèle quantitatif des effets de faible désordre sur la durée de vie des cohérences sera conçu. Il comprendra une analyse du désordre statique à travers les largeurs et formes des  transitions optiques et de spin, ainsi que l'analyse détaillée des mesures de temps de  cohérence. Notre objectif est de prédire les propriétés spectroscopiques à partir des paramètres matériau, comme la nature des co-dopant et leur concentration. Les matériaux optimisés seront utilisés pour construire une mémoire quantique fonctionnant à 1,5 µm avec une augmentation de trois ordres de grandeur du produit bande passante - temps de stockage par rapport aux systèmes existants.
Résumé de la soumission : L’objectif de DISCRYS est d'utiliser un désordre chimique contrôlé dans des cristaux afin de supprimer la décoherence, c'est à dire les processus détruisant les états quantiques. Cette approche sera développée dans des cristaux de haute qualité dopés par des ions de terres rares.  Dans ces matériaux, un désordre sera induit grâce à un co-dopage par des impuretés sélectionnées. Les principaux objectifs de ce projet sont : la croissance de cristaux présentant une décohérence optique minimale; une compréhension quantitative de la relation entre composition des matériaux, désordre et décohérence, et enfin la démonstration d'un stockage de photons à la longueur d'onde télécom.	L'information quantique utilise les propriétés uniques des systèmes quantiques pour traiter des données par des moyens impossibles à atteindre avec des systèmes classiques. Ceci n'est possible qu'avec des états de superposition non perturbés, ce qui explique que seuls les systèmes présentant une faible décohérence sont utiles dans ce domaine. Il est également nécessaire de développer des interfaces lumière-matière quantiques, les mémoires quantiques,  pour des applications en calcul quantique, métrologie et sources de photons uniques. De plus, ces mémoires quantiques sont essentielles au développement sur de longues distances de la cryptographie quantique, une technologie déjà commerciale de communication totalement sécurisée. 	Les cristaux dopés par des ions de terres rares ont été identifiés comme des systèmes très prometteurs en information quantique, bien que leur performance reste limitée par la décohérence de leurs transitions optiques. A basse température, cette dernière est due aux fluctuations des spins électroniques et nucléaires dans l'environnement de la terre rare. Pour résoudre ce problème, différentes méthodes expérimentales complexes ont été proposées. Au contraire, DISCRYS propose de supprimer la décohérence par une approche de chimie du solide. En introduisant un désordre contrôlé dans des cristaux de haute qualité, la résonance entre spins voisins disparaît, ce qui empêche les relaxations par basculement simultané de spins, et élimine la décohérence. 	DISCRYS mettra en jeu croissance de monocristaux, spectroscopie optique avancée et résonance paramagnétique électronique, ainsi que modélisation pour atteindre une compréhension quantitative de la relation entre désordre et décohérence. De plus, nous démontrerons l'efficacité de notre approche matériau en construisant une mémoire quantique fonctionnant à la longueur d'onde télécom de 1.5 µm, idéalement appropriée à la cryptographie longue distance via les réseaux de fibres optiques. Nous estimons que les cristaux optimisés permettront d'atteindre un gain en performance de trois ordres de grandeur par rapport aux systèmes existants. 	Les résultats de DISCRYS seront directement utiles aux groupes travaillant sur les matériaux dopés terres rares pour l'information quantique et plus généralement pour la large communauté scientifique concernée par la cohérence quantique dans les semi-conducteurs, les solides dopés ou les molécules, pour des applications en information quantique, détection, biologie, etc. DISCRYS traite également d'un problème clé dans le développement des mémoires quantiques pour la cryptographie quantique à longue distance. Notre projet permettra d'obtenir des mémoires quantiques compatibles avec les réseaux existants de fibres télécom et son impact potentiel sur les technologies de cryptographie quantique est par conséquent très large. 	DISCRYS rassemble des groupes leaders mondiaux dans la croissance et la conception de matériaux pour l'optique, la spectroscopie, la modélisation et le traitement optique de l'information quantique. Notre collaboration internationale permettra d'associer des expertises allant de la chimie du solide jusqu'à la physique quantique et sera essentielle pour atteindre des avancées majeures dans les matériaux pour l'information quantique.
Résultats : Pendant cette période, plusieurs monocristaux de Y2SiO5 (YSO) dopés Er ont été élaborés par tirage Czochralski avec différents codopants et concentrations. Er,Sc: YSO a été identifié comme le système le plus prometteur et nous avons procédé à une étude détaillée par spectroscopies optiques et RPE. La largeur de raie inhomogène optique montre une augmentation d'un facteur 40 dans 0,003 Er, 0,1 Sc: YSO par rapport à des échantillons dopés avec Er3 + seulement, pour atteindre environ 20 GHz à champ magnétique nul. De la même façon, on observe une forte augmentation de la largeur de raie RPE. À notre connaissance, ceci est la première fois que la preuve directe de l'élargissement des raies RPE est rapportée dans un cristal avec un désordre induit. La durée de vie de cohérence (T2) a été enregistrée pour des champs magnétiques entre 0 et 3 T. Dans le champ le plus élevé, T2 est d'environ 200 µs, une valeur comparable à ce que l'on trouve dans les cristaux non co-dopés. Ces données sont bien expliquées par le modèle de diffusion spectrale développé à MSU, ce qui montre que les flip-flops des ions Er3+ ne dominent pas les processus de décohérence. De plus aucun signe de désordre induit par la décohérence n'a été observé.
En résumé, les largeurs de raie optiques mesurées et les durées de vie de cohérence suggèrent que ce cristal est un candidat prometteur pour des mémoires quantiques à 1,5 µm à large bande et long temps de stockage (manuscrit en préparation).
MSU a également effectué des mesures de spectroscopie et de décohérence optique pour différents matériaux dopées erbium, qui montrent de façon concluante la justesse de leur modèle de suppression de la décohérence par le désordre chimique induit. Ce travail a permis d'expliquer quantitativement un comportement inattendu observé dans le stockage quantique dans des fibres de verre dopées à l'erbium (E. Saglamyurek et al., Phys. Rev. B, 2015).
Perspectives : Pour la prochaine période, nous prévoyons de développer davantage les cristaux dopés  Er3+, en particulier pour augmenter la profondeur optique et d'étudier le stockage quantique dans des échantillons optimisés.
Publications et brevets : N. Kunkel, A. Ferrier, C. W. Thiel, M. O. Ramírez, L. E. Bausá, R. L. Cone, A. Ikesue, and P. Goldner, «Rare-earth doped transparent ceramics for spectral filtering and quantum information processing,« APL Mater. 3, 096103–7 (2015).
A. Arcangeli, A. Ferrier, and P. Goldner, «Stark echo modulation for quantum memories,« Phys. Rev. A 93, 062303 (2016).
N. Kunkel, J. Bartholomew, L. Binet, A. Ikesue, and P. Goldner, «High-Resolution Optical Line Width Measurements as a Material Characterization Tool,« J. Phys. Chem. C 120, 13725–13731 (2016).
R. L. Ahlefeldt, M. F. Pascual-Winter, A. Louchet-Chauvet, T. Chanelière, J.-L Le Gouët, «Optical measurement of heteronuclear cross-relaxation interactions in Tm:YAG Phys. Rev. B 92, 094305 (2015).
K. Kutluer, M. F. Pascual-Winter, J. Dajczgewand, P. M. Ledingham, M. Mazzera, T. Chanelière, and H. de Riedmatten, «A spectral hole memory for light at the single photon level«, Phys. Rev. A 93, 040302(R) (2016).
P. Berger, Y. Attal, M. Schwarz, S. Molin, A. Louchet-Chauvet, T. Chaneliere, J. L. Le Gouet, D. Dolfi, L. Morvan, «RF spectrum analyzer for pulsed signals: ultra-wide instantaneous bandwidth, high sensitivity and high time-resolution,« in Journal of Lightwave Technology , vol.PP, no.99, pp.1-1
E. Saglamyurek, T. Lutz, L. Veissier, M. P. Hedges, C. W. Thiel, R. L. Cone, W. Tittel, Efficient and long-lived Zeeman-sublevel atomic population storage in an erbium-doped glass fiber, Phys. Rev. B 92 (2015) 241111(R)
T. Lutz, L. Veissier, C. W. Thiel, P. J. T. Woodburn, R. L. Cone, P. E. Barclay, and W. Tittel, Effects of fabrication methods on spin relaxation and crystallite quality in Tm doped Y3Al5O12 powders studied using spectral hole burning, Sci. Tech. Adv. Mater. 17 (2016) 63
T. Lutz, L. Veissier, C. W. Thiel, R. L. Cone, P. E. Barclay, and W. Tittel, Modification of phonon processes in nanostructured rare-earth-ion-doped crystals, Phys. Rev. A 94, 013801 (2016)