Plateforme hybride cavité-Rydberg pour des interactions photoniques

Hybrid cavity-Rydberg platform for photonics interactions

• Auteur / Autrice : Merlin Enault-Dautheribes
• Direction : Alexei Ourjoumtsev
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/03/2021
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Jeunes équipes de l'Institut de physique du Collège de France (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : Collège de France (1530-....)
• Jury : Président / Présidente : Julien Laurat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexei Ourjoumtsev, Julien Laurat, Isabelle Bouchoule, Patrick Cheinet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Bouchoule, Patrick Cheinet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique

Mots clés libres

Optique quantique

Atomes froids

Atomes de Rydberg

Ingénierie quantique

Non-linéarité optique

Quantum optics

Cold atoms

Rydberg atoms

Quantum engineering

Optical non linearity

Résumé

Atteindre un régime où des photons peuvent interagir entre eux est un but important de l’optique quantique. Il s’agit d’une condition fondamentale pour pour de nombreux domaines, e.g. la mise en place d’un réseau de communication quantique, mais c’est aussi une manière de permettre l’étude et la simulation de la physique de la matière condensée. Ce manuscrit présente le travail effectué durant trois ans pour assembler et tester une plateforme expérimentale visant à créer et à contrôler des interactions cohérentes entre photons optiques individuels et de franchir ainsi une étape importante pour le développement des technologies quantiques. Le montage combine des techniques venant de l’électrodynamique en cavité et des atomes froids : un ensemble d’atomes froids est transporté dans une cavité spécialement étudiée, permettant de transitoirement convertir les photons qui y circulent en polaritons de Rydberg atomique présentant de fortes interactions. Le contrôle de certains paramètres, relevant soit du nuage, de l’excitation ou bien de la cavité, doivent nous permettre de tester la validité de théorèmes fondamentaux en logique quantique, de générer des états non classiques et d’accéder à un régime dans lequel la simulation de système bidimensionnels propres à la matière condensée devient possible. Une première partie du manuscrit présente le montage et la manière dont les différents sous-systèmes requis ont été mis en place. Dans une deuxième partie les premières mesures d’EIT dans le nuage sont effectuées et décrites. Enfin, l’évolution à venir du montage est mentionnée.

A long-standing goal of quantum optics is to reach a regime where interactions between single photons can take place. This would lead to new perspectives in the domain of quantum communication and quantum simulation. This work presents the assembly and characterization of a hybrid experimental platform for the study and creation of deterministic interactions between single photons, an important milestone in quantum technologies. The experimental setup combines different technologies from cavity quantum electrodynamics and cold atoms techniques. A cold atom cloud is transported in a specially designed optical resonator, allowing the temporary conversion of intracavity photons into atomic Rydberg polaritons, creating a medium which enables strong interactions. This setup should allow us to deterministically entangle optical photons in order to generate non-classical light, to develop photonic quantum logic gates, and to emulate low-dimensional highly correlated condensed-matter systems. In a first part the setup is presented, including the manner in which the different subsystems work together. In a second part, the first EIT measurements are shown and analyzed, before describing the latest advancement made.