Generation of non-classical correlations between spins and photons using rare-earth-ion doped crystals

Au cours de ces dernières années, les technologies de l'information se sont développées de manière fulgurante, l'augmentation de la vitesse de connexion `a Internet augmente de manière exponentielle chaque année. Il en résulte que de plus en plus de données personnelles ou confidentielles sont échangées. Il devient donc urgent de sécuriser ces lignes de communications utilisés quotidiennement. La communication quantique permet l'échange de clés de cryptage secrètes dont la sécurité est basée sur les lois de la physique quantique. En effet en encodant de l'information sur des photons uniques, il est possible de détecter l'interception ou la modification de cette information. Cette communication quantique est néanmoins sujette aux pertes intrinsèques au réseau de télécommunication par fibre optique, ainsi la distance de communication est limitée `a une centaine de kilomètres. Il est donc nécessaire de développer un protocole analogue au répéteur utilisé pour les communication classiques. Ce répéteur quantique permettrait la distribution d'états quantiques sur de très longues distances. L'implémentation de ce protocole nécessite l'utilisation d'un dispositif capable de stocker et libérer la lumière quantique sur demande. Les cristaux dopés aux ions terres rares font partie des candidats prometteurs pour la réalisation de telles mémoires quantiques. En utilisant ces cristaux il est possible de transférer le photon en une excitation de spin et vice-versa ce qui permet un stockage de longue durée et sur demande. Au cours de ce doctorat, j'ai étudié différents cristaux dopés aux ions terres rares et en particulier les propriétés de cohérence de leurs états de spin. J'ai utilisé et développé des nouvelles techniques de spectroscopies pour caractériser ces cristaux et leur viabilité pour le stockage d'information quantique. Cela permis de développer les compétences nécessaires au contrôle cohérent de spin dans ces cristaux. Grâce à ce contrôle nous avons pu étendre la durée du temps de stockage de plusieurs ordres de grandeurs de la microseconde jusqu'à la milliseconde. De plus cette expérience a démontré qu'il est possible de manipuler une excitation unique délocalisé sur un grand ensemble d'ions (plus de mille milliards) sans dégrader le signal en sortie. Suite à cela j'ai caractérisé la capacité multimode et la fidélité de notre mémoire ainsi que son caractère quantique. J'ai ensuite développé et implémenté un protocole permettant d'utiliser le cristal en tant que source et mémoire sur demande de photons uniques. Cette expérience est la première réalisation d'un tel protocole dans les solides en utilisant des photons uniques. Finalement j'ai étudié le potentiel d'un cristal fortement dopé pour le stockage d'information quantique. J'ai identifié et mesuré une interaction de type Dzyaloshinskii-Moriya entre deux ions voisins dans le cristal. Ce couple d'ions, analogue à une molécule piégé dans la maille cristalline, pourrait présenté un potentiel avantage comparés à l'ion isolé