27/01/2025

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Génération accordable d’intrication spatiale dans des réseaux de guides d’ondes non linéaires

Les chercheurs de l’équipe QITE Photonics du laboratoire MPQ ont récemment publié un article dans la revue Physical Review.

  • A. RAYMOND
  • A. ZECCHETTO
  • J. PALOMO
  • M. MORASSI
  • A. LEMAÎTRE
  • F. RAINERI
  • M.I. AMANTI
  • S. DUCCI
  • F. BABOUX

Les états intriqués de lumière à haute dimension offrent de nouvelles possibilités pour l’information quantique, depuis les tests fondamentaux de la mécanique quantique jusqu’à l’amélioration des protocoles de calcul et de communication. Dans ce contexte, le degré de liberté spatial est particulièrement adapté à l’intégration sur puce. Les circuits photoniques traditionnels génèrent et manipulent des photons étape par étape, en utilisant une séquence de composants optiques discrets. En revanche, les systèmes de guides d’ondes non linéaires offrent une alternative prometteuse où les photons peuvent être générés et interférer de manière continue, dévoilant ainsi de nouvelles capacités dans un encombrement réduit.

Nous exploitons ici ce concept pour mettre en œuvre une source compacte et polyvalente d’états de lumière spatialement intriqués dans des réseaux de guides d’ondes non linéaires en AlGaAs.
Un faisceau de pompe classique injecté dans un ou plusieurs guides d’ondes génère des paires de photons à la longueur d’onde des télécoms par conversion paramétrique spontanée vers le bas (SPDC), grâce à la forte non-linéarité de second ordre du matériau (Fig. 1).Ces paires de photons passent ensuite continuellement d’un guide d’ondes à l’autre au cours de leur propagation, mettant en œuvre des marches quantiques aléatoires.Par rapport aux études précédentes, les marches sont ici générées directement à l’intérieur du dispositif, et la génération peut avoir lieu à n’importe quelle position le long de l’axe de propagation. Outre un gain d’intégration, cette configuration permet une accumulation progressive de l’intrication spatiale, en raison de l’interférence entre les marches quantiques initiées à toutes les positions longitudinales possibles. Nous utilisons une configuration multi-pompe pour concevoir l’état quantique de sortie et mettre en œuvre différents types de corrélations spatiales, violant un critère de non-classicité de plusieurs dizaines d’écarts-types [1]. Combinée à la possibilité de modifier à volonté la géométrie du dispositif, cette nouvelle approche ouvre la voie à la simulation, dans un environnement contrôlé, de problèmes physiques difficilement accessibles dans les systèmes de matière condensée, tels que la localisation d’Anderson des états multiparticulaires ou la protection topologique de l’enchevêtrement.

© F. Baboux, MPQ, Université Paris Cité

(a) Principe de l’ingénierie de l’intrication spatiale par des marches quantiques en cascade dans un réseau de guides d’ondes non linéaires.

(b) Image SEM d’un réseau de guides d’ondes non linéaires en AlGaAs fabriqué.

(c) Exemple d’un état spatialement corrélé et d’un état anticorrélé mesurés.

(d) état anticorrélé.

27/01/2025

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Production and stabilization of a spin mixture of ultracold dipolar Bose gases

Researchers of the BEC team from the Laboratoire Kastler Brossel, Collège de France, published an article in the Physical Review Journals.

  • Maxime LECOMTE
  • Alexandre JOURNEAUX
  • Julie VESCHAMBRE
  • Jean DALIBARD
  • Raphael LOPES

Binary dipolar mixtures hold great potential for realizing exotic quantum phases, including supersolids—states of matter that combine crystalline order with superfluidity. In this work, we demonstrate the creation and stabilization of a binary mixture of ultracold dysprosium atoms in different internal states, with a spectacular suppression of inelastic dipolar relaxation by two orders of magnitude compared to the Wigner threshold law. This enhanced stability enabled the first estimation of the mixture’s elastic scattering properties. These results pave the way for probing supersolidity and other strongly correlated phases in binary dipolar gases.

© Raphael Lopes, LKB, Collège de France

Schematic representation of the experimental protocol.Left: two orizontal laser beams (Raman 1 and Raman 2) induce a Raman transition between nearest Zeeman sublevels. The vertical laser beam induces a spin-dependent light shift, allowing us to selectively couple the two lowest-energy Zeeman sublevels. Right panel: absorption images of Bose-Einstein condensates in different internal states, captured after time-of-flight (TOF) expansion in the presence of a magnetic field gradient. The rightmost absorption image corresponds to a BEC preparation in |−7⟩ with purity >95%. Dashed lines serve as guides to the eye for the spatial position of atoms in states |−8⟩, |−7⟩, and |−6⟩.

27/01/2025

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Caractéristiques de perte dans les gaz 162 Dy ultrafroids : Processus à deux ou trois corps

Les chercheurs de l’équipe BEC du Laboratoire Kastler Brossel, Collège de France, ont publié un article dans la revue Physical Review.

  • Maxime LECOMTE
  • Alexandre JOURNEAUX
  • Loan RENAUD
  • Jean DALIBARD
  • Raphael LOPES

Les gaz dipolaires comme l’erbium et le dysprosium ont un spectre dense de caractéristiques de perte résonante associées à leur fort potentiel d’interaction anisotrope. Ces résonances présentent des comportements variés en fonction de la densité et de la température, ce qui implique diverses propriétés microscopiques. Ici, nous étudions quantitativement les caractéristiques de perte à faible champ (𝐵<6G) dans des échantillons thermiques ultra-froids de 162 Dy . Les atomes sont polarisés en spin dans leur état interne le plus bas, de sorte que les pertes à deux corps pures dues à la relaxation du spin sont interdites. Cependant, notre analyse révèle que certaines résonances conduisent à une loi de décroissance à deux corps, tandis que d’autres montrent la décroissance à trois corps attendue. Nous présentons des modèles microscopiques en une et deux étapes pour ces pertes, étudions leur dépendance à la température et détectons une caractéristique compatible avec une résonance de Fano-Feshbach à 𝑑 ondes qui n’a jamais été observée auparavant. Nous rapportons également la variation de la longueur de diffusion autour de ces résonances, déduite de l’expansion du condensat en fonction du temps de vol.

© Raphael Lopes, LKB, Collège de France

Représentation schématique des deux processus possibles à l’origine des pertes à trois corps dans les gaz dipolaires.

20/01/2025

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Vanishing bulk heat flow in the nu=0 quantum Hall ferromagnet in monolayer graphene

Des chercheurs du SPEC, en collaboration avec des équipes du C2N (Palaiseau, France), du NIMS (Tsukuba, Japon) ainsi que la startup CRYOHEMT (Orsay, France) ont récemment publié un article dans Nature physics.

  • Raphaëlle DELAGRANGE
  • Manjari GARG
  • Gaëlle LE BRETON
  • Aifei ZHANG
  • Quan DONG
  • Yong JIN
  • Kenji WATANABE
  • Takashi TANIGUCHI
  • Preden ROULLEAU
  • Olivier MAILLET
  • Patrice ROCHE
  • François PARMENTIER

Sous un champ magnétique perpendiculaire élevé et à basse température, le graphène développe un état isolant au point de neutralité de charge. Cet état, appelé nu=0, est dû à l’interaction entre les interactions électroniques et les dégénérescences quadruples de spin et de vallée dans la bande plate formée par le niveau de Landau n=0. La détermination de l’état fondamental de nu=0, y compris sa polarisation de spin et de vallée, est une entreprise théorique et expérimentale qui dure depuis près de vingt ans. Nous présentons ici des expériences qui sondent les propriétés de transport thermique du graphène monocouche à nu=0, qui sondent directement son état fondamental et ses excitations collectives. Nous observons que le transport thermique global s’évanouit, en contradiction avec l’état fondamental attendu, qui devrait avoir une conductance thermique finie même à très basse température. Nos résultats soulignent la nécessité d’approfondir les recherches sur la nature de nu=0.

© François Parmentier – CNRS

Les quatre états fondamentaux possibles de ν=0, représentés par deux spins (flèches rouges et bleues) distribués sur le réseau en nid d’abeille du graphène.

Jaune : phase antiferromagnétique : les deux spins opposés résident sur un sous-réseau séparé.

Violet : phase ferromagnétique : les deux spins sont alignés, chacun sur son sous-réseau.

Orange : phase de distorsion de Kekule : phase de distorsion de Kekule : les deux spins opposés vivent sur une superposition des deux sous-réseaux.

Cyan : phase de polarisation du sous-réseau : les deux spins opposés vivent sur le même sous-réseau.

Le dessin animé central illustre le principe de l’expérience, où la chaleur est transportée d’une électrode chaude (rouge) à une électrode froide (violette) à travers ν=0. Seules les phases antiferromagnétique et de distorsion de Kekule sont des conducteurs thermiques à basse température.

16/01/2025

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Differential polarizability of the strontium intercombination transition at 1064.7 nm

L’équipe « Relaxation dynamics in quantum gases » du Laboratoire Charles Fabry a récemment publié un article dans les Physical Review Journals.

  • Romaric JOURNET
  • Félix FAISANT
  • Sanghyeop LEE
  • Marc CHENEAU

Nous mesurons les composantes scalaire, vectorielle et tensorielle de la polarisation dynamique différentielle de la transition d’intercombinaison du strontium à 1064,7 nm. Nous comparons les valeurs expérimentales avec les prédictions théoriques basées sur les données spectroscopiques les plus récemment publiées, et nous trouvons des concordances. Nous identifions également une polarisation « magique » proche du cercle où la polarisation différentielle s’évanouit strictement, et nous déterminons précisément son ellipticité. Notre travail ouvre de nouvelles perspectives pour le refroidissement par laser d’atomes de strontium piégés optiquement et fournit une référence pour les modèles atomiques dans le domaine spectral du proche infrarouge.

© Journet et al.,Phys. Rev. A 110, 032819 (2024)

Déplacement Stark différentiel de la transition 1S03P1 , m = −1du strontium lorsque l’on fait varier l’ellipticité de la polarisation du faisceau Stark. La direction du dipôle atomique (x) est fixée par le champ magnétique externe B et est parallèle à l’axe de propagation du faisceau Stark. L’ellipticité de la polarisation du faisceau de Stark u est contrôlée par l’orientation d’une lame quart d’onde. Le décalage différentiel de Stark est nul pour une ellipticité magique Cmagic = +0.847 ± 0.023 (points rouges), correspondant à la latitude +57,9◦ sur la sphère de Poincaré (cercle rouge).

21/10/2024

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Comment s’organisent les tourbillons quantiques dans un gaz en rotation rapide ?

L’équipe BEC (Bose Einstein Condensat) du LPL (Laboratoire de Physique des Lasers) à récemment publié un article dans Physical Review Journals.

  • Rishabh SHARMA
  • David REY
  • Laurent LONGCHAMBON
  • Aurélien PERRIN
  • Hélène PERRIN
  • Romain DEBUSSY

Le groupe BEC au LPL a récemment étudié un superfluide en rotation, en utilisant des atomes ultra-froids de rubidium formant un condensat de Bose-Einstein. Lorsqu’il est mis en rotation, le superfluide est traversé par un ensemble de petits tourbillons quantiques qui s’organisent en un réseau régulier, comme les tomettes d’un sol carrelé. Nos collègues ont mis en évidence pour la première fois la façon dont ce réseau fond, passant de solide à liquide sous l’influence des fluctuations thermiques.

© R. Dubessy et H. Perrin

Apparition d’une dislocation (en rouge) dans un réseau de vortex.

06/06/2024

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Contrôle quantique d’un qubit de chat avec des temps de bit-flip dépassant dix secondes

L’équipe QUANTIC (LPENS – Mines – INRIA), en collaboration avec la start-up Alice & Bob, a démontré des opérations quantiques sur un qubit très stable : son temps de bit-flip mesuré dépasse les 10 secondes.

  • U. RÉGALADE
  • A. BOCQUET
  • R. GAUTIER
  • J. COHEN
  • A. MARQUET
  • E. ALBERTINALE
  • N. PANKRATOVA
  • M.HALLÉN
  • F. RAUTSCHKE
  • L-A. SELLEM
  • P. ROUCHON
  • A. SARLETTE
  • M. MIRRAHIMI
  • P. CAMPAGNE-IBARCQ
  • R. LESCANNE
  • S. JEZOUIN
  • Z. LEGHTAS

Pourquoi est-ce important ?

Les interactions non contrôlées d’un système quantique avec son environnement, connues sous le nom de décohérence, continuent d’induire trop d’erreurs sur les qubits, bloquant ainsi le déploiement de machines quantiques.

Une stratégie prometteuse consiste à construire des qubits qui sont intrinsèquement protégés contre certains types d’erreurs. Ces qubits sont connus sous le nom de « qubits à bruit biaisé ». La promesse fondamentale est que si un qubit est presque parfaitement protégé au niveau matériel contre un type d’erreur (par exemple, les bit-flips), alors l’exigence matérielle pour se protéger contre l’autre type d’erreur (par exemple, les phase-flips) est considérablement moins exigeante.

Cependant, le gain prévu repose sur une condition sévère : les manipulations quantiques du qubit ne doivent pas rompre la protection qui a été si soigneusement conçue au niveau matériel. Si cette condition n’est pas respectée, l’avantage des qubits à bruit biaisé est perdu.

Dans cette expérience, nous avons mis en œuvre un tel qubit, appelé qubit de chat. Il est encodé dans un oscillateur supraconducteur doté d’une dissipation à deux photons. Nous montrons que notre qubit de chat maintient un temps de bit-flip supérieur à dix secondes – une amélioration de 10000 fois par rapport aux mises en œuvre précédentes – tout en contrôlant la phase des états de superposition quantique.

Cette expérience démontre la compatibilité du contrôle quantique et de la protection inhérente contre les bit-flips à un niveau sans précédent, montrant la viabilité des qubits à bruit biaisé pour les futures technologies quantiques.

Comment avons-nous obtenu ce résultat ?

L’implémentation expérimentale du qubit de chat est restée bloquée au niveau de la milliseconde pour les temps de bit-flip. C’est beaucoup plus court que les échelles de temps macroscopiques attendues et nécessaires pour épargner totalement la nécessité d’une protection active contre les bit-flips.

Des preuves croissantes ont incriminé le circuit de sondage : un qubit Transmon, pour avoir rompu la protection contre les bit-flips. Retirer ou remplacer le Transmon était un défi de taille car cela nécessitait d’inventer un nouveau protocole de tomographie quantique.

C’est précisément ce qui a été réalisé dans cette expérience. En effet, notre protocole sans Transmon ne nécessite aucun élément de circuit supplémentaire. Au lieu de cela, il exploite la non-linéarité déjà présente dans le qubit de chat pour mesurer les observables quantiques.

Cela nous a conduit à une amélioration de quatre ordres de grandeur des temps de bit-flip, établissant une limite ultra-basse (centaines de milliHertz) sur le taux de bit-flip induit par le contrôle cohérent du qubit.

Notre qubit – le qubit de chat – est encodé dans un oscillateur supraconducteur. Les deux états du qubit sont des états cohérents de même nombre de photons et de phases opposées. La colonne de gauche affiche les fonctions de Wigner mesurées de l’état de superposition quantique pour des nombres de photons croissants. La colonne du milieu affiche les oscillations quantiques mesurées de la phase de ces superpositions, démontrant ainsi notre capacité à contrôler l’état quantique de notre qubit. Enfin, la colonne de droite démontre la stabilité exceptionnelle de notre qubit de chat : son temps de bit-flip dépasse 10 secondes pour les états de plus grand nombre de photons.

20/07/2023

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Single-electron spin resonance detection by microwave photon counting

The « Quantronic » team from the Condensed State Physics Department published an article in Nature.

  • Z. WANG
  • L. BALEMBOIS
  • M. RANČIĆ
  • E. BILLAUD
  • M. LE DANTEC
  • A. FERRIER
  • P. GOLDNER
  • S. BERTAINA
  • T. CHANELIÈRE
  • D. ESTEVE
  • D. VION
  • P. BERTET
  • E. FLURIN

Paramagnetic defects in solids are detected and studied by Electron Paramagnetic Resonance (EPR) spectroscopy, a 80-year old technique. Despite its wide range of applications (chemistry, biology, materials science, …), EPR spectroscopy suffers from a low sensitivity, and can only detect large ensembles of spins, with a spectral resolution limited by inhomogoneous broadening. The Quantronics group at CEA Saclay has recently developed a new method for EPR spectroscopy with single spin sensitivity. The method (described in Fig1 left) consists in coupling magnetically the spin to a planar, micron-scale superconducting microwave resonator, which resonantly enhances its radiative decay rate  from the spin excited stae back into its ground state. The spin is excited by a microwave pule, and the microwave photon emitted upon radiative relaxation is detected by a microwave photon counter based on a superconducting qubit, developed in the team. We have demonstrated the method to erbium ions in a scheelite crystal of CaWO4. A typical spin fluorescence curve, showing the count rate  as a function of the time  after the pulse, is visible in the inset of Fig1 right, showing the spin relaxation in a time ms. Integrating the number of counts for 2ms yields the total number of counts , which is shown as a function of the magnetic field  (Figure right). Every time one Erbium ion is resonant with the resonator, a sharp peak is observed. The curve therefore is the first EPR spectrum where the inhomogeneous ensemble line is resolved into its single spin constituents. The method requires low temperatures (10mK), but is applicable to a large class of paramagnetic centers ; it may find applications in EPR spectroscopy as well as quantum computing.

© P. Bertet, Quantronics group, SPEC

Single-spin spectroscopy by microwave photon counting.

06/04/2023

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Deterministic Free-Propagating Photonic Qubits with Negative Wigner Functions

The « Quantum photonics » team from the Young team of the physics institut of the Collège de France (JEIP) Laboratory published an article in Nature Photonics.

  • Valentin MAGRO
  • Julien VANEECLOO
  • Sébastien GARCIA
  • Alexei OURJOUMTSEV

Engineering quantum states of free-propagating light is of paramount importance for quantum technologies. Coherent states ubiquitous in classical and quantum communications, squeezed states used in quantum sensing, and even highly-entangled cluster states studied in the context of quantum computing can be produced deterministically, but they obey quasi-classical optical field statistics described by Gaussian, positive Wigner functions. Fully harnessing the potential of many quantum engineering protocols requires using non-Gaussian Wigner-negative states, so far produced using intrinsically probabilistic methods. Here we describe the first fully deterministic preparation of non-Gaussian Wigner-negative free-propagating states of light, obtained by mapping the internal state of an intracavity Rydberg superatom onto an optical qubit encoded as a superposition of 0 and 1 photons. This approach allows us to reach a 60% photon generation efficiency in a well-controlled spatio-temporal mode, while maintaining a strong photon antibunching. By changing the qubit rotation angle, we observe an evolution from quadrature squeezing to Wigner negativity. Our experiment sets this new technique as a viable method to deterministically generate non-Gaussian photonic resources, lifting several major roadblocks in optical quantum engineering.

25/11/2022

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Atom interferometer driven by a picosecond frequency comb

The Atomic interferometry and fundamental tests team from the Kastler Brossel Laboratory published an article in the Physical Review Journals.

  • Cyrille SOLARO
  • Clément DEBAVELAERE
  • Pierre CLADÉ
  • Saïda GUELLATI-KHELIFA

Light-pulse atom interferometry, where light pulses are used as atom beam splitters, has led to extremely sensitive and accurate quantum sensors that can be used to perform very stringent tests of fundamental physics such as: testing the equivalence principle, detecting gravitational waves, probing short-range forces or measuring fundamental constants (e.g. Newton’s gravitational constant or the fine-structure constant). Until recently, light-pulse atom interferometry had only exploited continuous-wave (cw) laser sources. We have recently demonstrated atom interferometers where the beam splitters are realized with pulsed lasers, or more specifically frequency-comb lasers. This technique, which we obtained in the visible spectrum on rubidium (Rb) atoms, paves the way for extending light-pulse interferometry to other wavelengths (e.g. deep-UV to X-UV) and therefore to new species, since one can benefit from the high peak intensity of the ultrashort pulses which makes frequency conversion in nonlinear media efficient.

The article led to a focus story in Physics that you can read here.

© C. Solaro, LKB, Sorbonne University