Vers l’ingénierie quantique avec des atomes individuels : fabrication de fibres optiques nanométriques et contrôle des interactions entre atomes de Rydberg

Development of tools for quantum engineering using individual atoms : optical nanofibers and controlled Rydberg interactions

• Auteur / Autrice : Sylvain Ravets
• Direction : Antoine Browaeys
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2014
• Etablissement(s) : Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique quantique
• Jury : Président / Présidente : Pierre Pillet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luis Orozco, Jozsef Fortagh, Thierry Lahaye
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Arno Rauschenbeutel, Michel Brune

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique quantique

Transfert d'énergie

Rydberg, États de

Forces de Van der Waals

Atomes froids

Fibres optiques

Mots clés libres

Fibres optiques

Transferts d’énergie résonants

Physique quantique

Atomes de Rydberg

Forces de van der Waals

Simulation quantique

Optical fibers

Resonant energy transfers

Quantum physics

Rydberg atoms

Van der Waals forces

Quantum simulators

Résumé

La plupart des objets quantiques individuels développés jusqu’à aujourd’hui ne permettent pas de satisfaire toutes les conditions nécessaires pour la construction d’un simulateur quantique. Une possibilité pour obtenir un système quantique robuste est de combiner plusieurs de ces approches. Dans cette thèse, nous décrivons les résultats obtenus sur deux systèmes expérimentaux développés dans ce but.La première partie de cette thèse décrit un système hybride d’atomes neutres couplés à des qubits supraconducteurs, en construction à l’Université du Maryland. La solution envisagée pour placer un ensemble d’atomes froids à proximité de la surface supraconductrice est de piéger les atomes dans le champ évanescent se propageant autour d’une fibre optique nanométrique. Nous avons développé un dispositif permettant la production de fibres optiques nanométriques de transmission optique supérieure à 99.95% dans le mode fondamental. Nous avons également optimisé la transmission de quelques modes d’ordres supérieurs, ce qui pourra s’avérer utile pour le piégeage d’atomes.La seconde partie de cette thèse décrit un système développé à l’Institut d’Optique et comprenant des atomes neutres piégés dans des matrices de pinces optiques. Dans ce cas, nous excitons les atomes dans des états de Rydberg afin de bénéficier de fortes interactions interatomiques. Nous avons caractérisé les interactions de van der Waals et les interactions résonantes entre deux atomes individuels, et démontré le caractère cohérent de l’interaction dipolaire. Nous avons enfin simulé la dynamique d’une chaine élémentaire de spins dans une matrice de trois atomes

Most platforms that are being developed to build quantum simulators do not satisfy simultaneously all the requirements necessary to implement useful quantum tasks. Robust systems can be constructed by combining the strengths of multiple approaches while hopefully compensating for their weaknesses. This thesis reports on the progress made on two different setups that are being developed toward this goal.The first part of this thesis focuses on a hybrid system of neutral atoms coupled to superconducting qubits that is under construction at the University of Maryland. Sub-wavelength diameter optical fibers allow confining an ensemble of cold atoms in the evanescent field surrounding the fiber, which makes them ideal for placing atoms near a superconducting surface. We have developed a tapered fiber fabrication apparatus, and measured an optical transmission in excess of 99.95% for the fundamental mode. We have also optimized tapered fibers that can support higher-order optical modes with high transmission, which may be useful for various optical potential geometries.The second part of this thesis focuses on a system of neutral atoms trapped in arrays of optical tweezers that has been developed at the Institut d’Optique. Placing the atoms in highly excited Rydberg states allows us to obtain strong interatomic interactions. Using two individual atoms, we have characterized the pairwise interactions in the van der Waals and resonant dipole-dipole interaction regimes, providing a direct observation of the coherent nature of the interaction. In a three-atom system, we have finally simulated the dynamics of an elementary spin chain