Field locked to Fock state by quantum feedback with single photon corrections

• Auteur / Autrice : Xingxing Zhou
• Direction : Jean-Michel Raimond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique Quantique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Électrodynamique quantique

Rydberg, États de

Résumé

La rétroaction quantique est un outil prometteur pour la préparation et la protection d’un état quantique. Elle entraîne un système quantique vers un état cible par l’action répétée d’une boucle de sonde-contrôlleur-actionneur. Néanmoins, sa réalisation expérimentale est très difficile, car elle doit surmonter une difficulté fondamentale: le processus de mesure modifie inévitablement et de façon aléatoire par une action en retour le système à contrôler. Nous avons réalisé un protocole de rétroaction quantique continue dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité. Le système à contrôler est un mode de champ électromagnétique piégé dans une cavité Fabry-Pérot micro-onde de très haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires interagissant avec le champ dispersivement servent de sondes. Ils effectuent des mesures quantiques non destructives du nombre de photons. Étant donnés les résultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections expérimentales, un ordinateur de contrôle estime en temps réel l’état du champ. Il commande ensuite la préparation des atomes de Rydberg circulaires à résonance pour absorber ou émettre des photons dans le but de stabiliser le champ autour de l’états de Fock cible. De cette façon, nous avons réussi à préparer à la demande et à protéger des états de Fock contenant 1 à 7 photons

Quantum feedback is a promising tool for preparing and protecting a quantum state. It drives a quantum system towards a target state by the repeated action of a sensor-controller-actuator loop. Nevertheless its experimental implementation is very challenging, as it must overcome a fundamental difficulty: the sensor measurement causes a random backaction on the system. We have implemented a continuous quantum feedback protocol in the context of cavity quantum electrodynamics. The system to be controlled is a mode of the electromagnetic field confined in a very high finesse microwave cavity in the Fabry-Pérot configuration. Circular Rydberg atoms interacting dispersively with the field serve as sensors. They perform quantum non-demolition measurements of the photon number. Knowing the results of these measurements, and knowing all the experimental imperfections, a classical computer estimates in real time the field state. It then commands resonant circular Rydberg atoms to absorb or to emit photons in order to stabilize the field around target Fock state. In this way, we have been able to prepare on demand and protect Fock states containing 1 to 7 photons