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Laser control of quantum systems by ultrafast parallel adiabatic passage : application to high fidelity population transfer, state selectivity, and superposition of states

• Auteur / Autrice : Vahe Hakobyan
• Direction : Stéphane Guérin, Hans Rudolf Jauslin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/11/2011
• Etablissement(s) : Dijon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot (Dijon ; .....-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Georges Jolicard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Artur Ishkhanyan, Leonid Yatsenko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processus à plusieurs photons

Stark, Effet

Faisceaux gaussiens

Lasers femtoseconde

Mots clés libres

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Résumé

Dans ce travail, nous établissons et testons la technique de passage adiabatique parallèle (PAP) qui optimise le passage adiabatique en sélectionnant un trajet spécifique qui permet une dynamique rapide tout en préservant la robustesse standard de la technique adiabatique. L'intuition de PAP est basée sur le fait que l'on s'attend à une probabilité de transition nonadiabatique allant vers zéro par analyse Landau-Zener lorsque la courbure relative des deux énergies propres tend vers zéro. Dans ce travail nous testons la robustesse de cette technique et nous montrons sa supériorité par rapport à une dynamique avec un chirp linéaire traditionnel et des impulsions gaussiennes. Nous montrons son extension sur les transitions multiphotons dans les systèmes quantiques multiniveaux, où l'effet Stark joue un rôle important. Nous avons déterminé une forme optimale d'impulsion dans laquelle les décalages des niveaux sont simultanément compensés par la phase programmé de l'impulsion du laser. Ensuite, est présentée la technique de passage adiabatique parallèle local. Cela correspond à une dynamique où la valeur propre de l'état peuplé est parallèle à la plus proche au cours du temps. Nous développons l'idée de transfert de population par passage adiabatique de l'état fondamental à une superposition d'états. Le transfert est exécuté par des impulsions femtosecondes mises en forme dans le domaine spectral. Les états excités sont déplacés de façon dynamique en raison de la présence de composants non-résonnants des canaux différents. Nous montrons que ce décalage Stark peut être compensé par un autre champ ou par une mise en forme spécifique des impulsions appropriées.

In this work we establish and test the technique of parallel adiabatic passage (PLAP) thatoptimizes the adiabatic passage in the sense that it selects specific paths that allow a fastadiabatic dynamics while preserving the standard robustness of adiabatic techniques. Theintuition of PLAP is based on the fact that the use of eigenvalues that are parallel for alltimes is expected to lead to a small nonadiabatic transition probability from Landau-Zeneranalysis for two-state approximations. In this work we test the robustness of this techniqueand show its superiority to the traditional linearly chirped dynamics with Gaussian pulses. Weshow its extension for two-photon and three-photon transitions on multilevel quantum systems,where the Stark shift plays an important role in a strong field regime. We have determined anoptimal pulse shaping in which the static and dynamic energy level shifts are simultaneouslycompensated by a programmed phase of a laser field. Next the local parallel adiabatic passagetechnique is presented. This corresponds to a dynamics where the eigenvalue of the populatedstate is parallel to the closest one at all times.We extend the idea of population transfer by adiabatic passage from the ground state toa superposition of states. The transfer is executed with spectrally shaped femtosecond laserpulses. The excited states are dynamically shifted in energy due to the presence of nonresonantcomponents of different channels. We show that this Stark shift can be compensated by anotherfield or by shaping appropriately the pulses.