Création d'états intriqués d'un ensemble d'atomes dans une cavité optique

Creation of entangled states of a set of atoms in an optical cavity

• Auteur / Autrice : Florian Haas
• Direction : Jérôme Estève, Jakob Reichel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 13/02/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Michel Raimond, Klaus Moelmer, Patrice Bertet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dieter Meschede, Chris Westbrook

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonateurs optiques

Atomes froids

Électrodynamique quantique en cavité

Intrication quantique

Mots clés libres

Ensemble d'atomes neutres

Puce à atomes

Électrodynamique quantique en cavité

Intrication quantique

Tomographie quantique

Dynamique zénon quantique

Entangled states of neutral atoms

Atom chip

Entangled states

Résumé

Dans cette thèse, nous démontrons la création et la caractérisation d'états intriqués dans un ensemble atomique à l'aide d'un résonateur optique de haute finesse. Notre dispositif expérimental consiste en une cavité fibrée placée en dessous d'une puce à atomes. Les atomes sont tous piégés dans un seul ventre du piège dipolaire créé dans la cavité. Ainsi, ils sont également couplés au mode lumineux de la cavité. Nous présentons une méthode basée sur une mesure collective et non-destructive et une évolution conditionnelle qui sert à créer des états intriqués et symétriques puis à les analyser, avec la résolution d'une particule unique, en mesurant d'une manière directe leur fonction Husimi Q. En utilisant cette méthode, nous créons et caractérisons des états W contenant jusqu'à 41 atomes. Nous reconstituons la partie symétrique de la matrice densité à partir des données expérimentales de la fonction Husimi Q en utilisant différentes méthodes de reconstruction quantique et nous obtenons une fidélité de 0.42. Par ailleurs, nous avons établi un critère d'intrication qui consiste à comparer seulement deux populations de la matrice densité. Nous l'utilisons pour déterminer le degré d'intrication présent dans les états expérimentalement créés et nous trouvons que l'état de fidélité maximale contient au moins 13 particules intriquées. Pour finir, nous présentons des résultats préliminaires concernant des expériences de dénombrement d'atomes dans la cavité en régime de mesures non-destructives ainsi que des expériences de création d'états intriqués en se servant de la dynamique Zénon quantique.

In this thesis, we demonstrate the creation and characterization of multiparticle entangled states of neutral atoms with the help of a high finesse cavity. Our experimental setup consists of a fibre-based high finesse cavity above the surface of an atom chip. It allows us to prepare an ensemble of 87Rb atoms with well-defined atom number. The atoms are trapped in a single antinode of an intracavity standing wave dipole trap and are therefore all equally coupled to the cavity mode. We present a scheme based on a collective, quantum non-destructive (QND) measurement and conditional evolution to create symmetric entangled states and to analyze them at the single-particle level by directly measuring their Husimi Q function. We use this method to create and characterize W states of up to 41 atoms. From the tomography curve of the Q function, we reconstruct the symmetric part of the density matrix via different reconstruction techniques and obtain a fidelity of 0.42. Furthermore, we have devised an entanglement criterion which only relies on comparing two populations of the density matrix. We use it to infer the degree of multiparticle entanglement in our experimentally created states and find that the state with highest fidelity contains at least 13 entangled particles. In addition, we show preliminary results on experiments to count the atom number inside a cavity in the QND regime and to create entangled states via quantum Zeno dynamics.