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Ions Piégés

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Notre activité expérimentale porte sur l’étude d’ions atomiques confinés dans des pièges électromagnétiques et refroidis par laser. Nous développons deux thèmes de recherche :
- la fabrication et l’étude de dispositifs de piégeage miniaturisés pour l’information quantique
- l’étude d’ensembles d’ions froids (cristaux de Coulomb) contenant plusieurs espèces

Micropièges surfaciques

Les micropièges surfaciques, inventés en 2004 [1] et démontrés pour la première fois en 2006 [2], représentent une des voies les plus prometteuses pour la construction d’un ordinateur quantique « réaliste » basé sur les ions piégés refroidis par laser [3]. Dans ces dispositifs, le champ électromagnétique de piégeage est obtenu à l’aide d’un système d’électrodes déposées sur un même plan (substrat). Les ions sont piégés à une distance d de la surface du substrat qui est du même ordre de grandeur que la section transverse des électrodes de piégeage. Cette géométrie a le double atout de pouvoir être implémentée par des technique de micro-fabrication en salle blanche et de permettre le calcul analytique des potentiels de piégeage [4].Retour ligne automatique
Un intérêt majeur de ce type de dispositifs est la possibilité d’adresser des transitions hyper-fines sensibles au mouvement de l’ion (bandes latérales) par un champ proche micro-ondes [5].

Image par microscopie électronique d’un micropiège Or/Silice
MPQ/IPIQ

Nous réalisons des dispositifs miniaturisés intégrables dans le but d’effectuer des opérations élémentaires de logique quantique, défi majeur et actuel dans le domaine des sciences et technologies de l’information. Nous étudions en particulier le phénomène du "chauffage anormal" [6] qui est dominé par la qualité de surface des électrodes. Une miniaturisation poussée induit, pour l’instant, des taux de chauffage élevés qui limitent la fidélité (et donc l’utilisation) d’une porte quantique réalisée dans des dispositifs miniatures. Pour mieux comprendre et éliminer ce phénomène nous utilisons une approche multidisciplinaire (interaction avec l’équipe STM du laboratoire MPQ, spécialisée en science des surfaces).

[1] J. Chiaverini et al., Quant. Inf. Comput. 5, 419 (2005).Retour ligne automatique
[2] S. Seidelin et al., Phys. Rev. Lett. 96, 253003 (2006).Retour ligne automatique
[3] D. Kielpinski et al., Nature 417, 709 (2002).Retour ligne automatique
[4] M. G. House, Phys. Rev. A 78, 033402 (2008).Retour ligne automatique
[5] C. Ospelkaus et al., Phys. Rev. Lett. 101, 090502 (2008).Retour ligne automatique
[6] Q. A. Turchette et al., Phys. Rev. A 61, 063418 (2000).

Cristaux de Coulomb multi-espèces

Lorsque deux ou plusieurs espèces d’ions sont présentes dans un même piège, l’interaction colombienne permet d’équilibrer très efficacement leur énergie cinétique. Si au moins l’une des espèces est refroidie par laser, l’ensemble pourra alors être refroidi « sympathiquement » jusqu’à des température de l’ordre du mK [1]. Cette propriété a été utilisée pour refroidir des espèces qui ne disposent pas d’un schéma de niveaux adapté au refroidissement laser mais qui sont néanmoins intéressantes, par exemple, dans le domaine de la métrologie [2]. Dans le cas de chaînes constituées de deux ions différents, le contrôle de l’état quantique du mouvement (commun aux deux ions) permet des applications à l’information quantique [3] et à la métrologie des fréquences optiques [4].

Cristal de Coulomb multi-espèce contenant les quatre isotopes naturels du Sr+.
MPQ/IPIQ

Dans les pièges de Paul linéaires la raideur transverse dépend de la masse. De ce fait, dans le cas de grands ensembles, une ségrégation spatiale se produit, confinant l’espèce la plus légère au plus près de l’axe du piège. En exploitant cette propriété ainsi que la pression de radiation exercée par les lasers de refroidissement il est possible de contrôler la composition des cristaux de Coulomb multi-espèces et de les exploiter pour des mesures (par exemple spectroscopiques) où l’espèce interrogée n’est pas perturbée par les laser de refroidissement [5].

[1] P. Bowe et al., Phys. Rev. Lett. 82, 2071 (1999).
[2] P. Blythe et al., Phys. Rev. Lett. 95, 183002 (2005).
[3] J. P. Home et al., Science 325, 1227 (2009).
[4] C. W. Chou et al., Science 329, 1630 (2010).
[5] B. Dubost et al., Phys. Rev. A 89, 032504 (2014).