Manipulation d'états quantiques de la lumière par l'intermédiaire d'un atome de Rydberg unique

Manipulating quantum states of light with a single Rydberg atom

• Auteur / Autrice : Frédéric Assémat
• Direction : Jean-Michel Raimond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 18/06/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Caterina Riconda
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pérola Milman, Tristan Meunier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Huard, Thierry Lahaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Décohérence quantique

Électrodynamique quantique en cavité

Niveaux d'énergie (théorie quantique)

Rydberg, États de

États comprimés (optique)

Mots clés libres

CQED

Atome de Rydberg

Chat de Schrödinger

Décohérence

Superposition quantique

CQED

Rydberg Atom

Schrödinger cat

Decoherence

Quantum Superposition

Résumé

La manipulation d’états non-classiques suscite depuis quelques années un engouement important de la part de la communauté scientifique. Que ce soit sur un plan fondamental ou en vue de potentielles applications par exemple dans les domaines de la métrologie, de la communication, ou de l’information quantique, il est essentiel de préparer des systèmes quantiques dans des états non-classiques et de contrôler leur évolution. Le champ de l’électrodynamique quantique en cavité apparaît comme un cadre expérimental idéal pour étudier l’ingénierie de tels états de la lumière. Il repose sur le couplage fort entre un système à deux niveaux d’une part et un mode du champ électromagnétique d’autre part. Cette thèse présente une nouvelle expérience d’électrodynamique quantique en cavité combinant un jet d’atomes lents préparés dans des états de Rydberg dits « circulaires » et le mode électromagnétique d’une cavité supraconductrice. Ce nouveau dispositif permet une augmentation considérable du temps d’interaction entre l’atome et le champ. Nous présentons dans ce manuscrit les premiers résultats expérimentaux qui en découlent. Premièrement, en exploitant le régime d’interaction résonant entre l’atome et le champ nous avons pu générer un état superposé de type chat de Schrödinger que nous avons caractérisé par ses oscillations de Rabi. Deuxièmement, en se plaçant dans le régime d’interaction dispersif, le long temps d’interaction permet de résoudre le spectre des états habillés du système pour des états du champ contenant jusqu’à 8 photons. Cette résolution a alors pu être exploitée afin de générer des états quantiques du champ comme une superposition de 0 et de 2 photons.

The manipulation of non-classical states is of great interest both from a fundamental perspective but also for their potential applications in domains such as quantum information, quantum communication or metrology. It is then essential to be able to prepare quantum systems in such states and control their evolution. The field of cavity quantum electrodynamics is very well suited to study non-classical states of light. It relies on the strong coupling of a two-level system on one side and one mode of the electromagnetic field on the other side. This thesis introduces a new experiment of cavity quantum electrodynamics combining a beam of slow atoms prepared in Rydberg circular states and the electromagnetic mode of a superconducting cavity. This new set-up allows us to improve significantly the interaction time between the atom and the field. Thanks to this, we obtained our first experimental results that we are presenting in this manuscript. Firstly, we use the resonant interaction between the atom and the field to generate a Schrödinger cat state, superposition of two coherent field of opposite phases. This field is then characterized thanks to its Rabi oscillation signal. Secondly, we make use of the long interaction time in the dispersive regime to achieve a resolution of the dressed state spectrum of the system up to 8 photons. Thanks to this resolution we were finally able to engineer quantum states such as the superposition of 0 and 2 photons.