Piégeage laser d'atomes de Rydberg circulaires pour la simulation quantique

Laser trapped Circular Rydberg atoms for quantum simulation

• Auteur / Autrice : Rodrigo G. Cortiñas
• Direction : Michel Brune
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique quantique
• Date : Soutenance le 05/05/2020
• 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 : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Berroir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Brune, Jean-Marc Berroir, Guido Pupillo, Frédéric Merkt, Mazyar Mirrahimi, Isabelle Bouchoule
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Guido Pupillo, Frédéric Merkt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Atomes de Rydberg

Atomes froids

Simulation quantique

Interaction dipolaire

Atomes circulaires

Spectroscopie microonde

Rydberg atoms

Cold atoms

Quantum simulation

Dipolar interactions

Circular atoms

Microwave spectroscopy

Résumé

Nous proposons un nouveau paradigme pour la simulation quantique de chaines de spin-1/2, basés sur des atomes de Rydberg circulaires piégés par laser. Leur longue durée de vie intrinsèque, combinée à l’inhibition de leur émission spontanée micro-onde et leur photoionisation négligeable rendent réalistes des temps de simulation à l’échelle de la minute. Cette nouvelle plateforme offre une grande flexibilité et permettra d’explorer de nouveaux regimes de simulation. Le simulateur proposé modélise un Hamiltonien XXZ à spin 1/2, les couplages entre plus proches voisins pouvant aller jusqu’à quelques dizaines de kilohertz. Tous les paramètres du modèle peuvent être réglés dynamiquement à volonté, ce qui permet d’accéder à un large éventail de systèmes simulés. Ainsi, l’évolution du système peut être suivie sur des temps suffisamment long pour permettre la préparation adiabatique depuis l’état fondamental ainsi que l’étude de la thermalisation et du désordre. Cette thèse est un premier pas vers la mise en œuvre de ce schéma de simulation quantique. (i) Nous démontrons la préparation d’états de Rydberg circulaires à partir d’atomes refroidis par laser dans un environnement cryogénique 4.2 K avec accès optiques. Leur durée de vie révèle une température effective du corps noir micro-ondes de 11±2 K. (ii) Nous évaluons le temps de cohérence pour un seul qubit (268±5 μs), et la durée de vie (3.7±0.1 ms). (iii) Enfin nous démontrons le piégeage par laser d’atomes de Rydberg circulaires prouvant leur photoionisation négligeable sur de nombreux temps de vie à l'échèle de 10 ms.

We propose a new paradigm for quantum simulation of spin-1/2 arrays, providing unprecedented flexibility and allowing one to explore domains that remain unexplored, based on laser-trapped circular Rydberg atoms. The long intrinsic atomic lifetimes, combined with the inhibition of their microwave spontaneous emission and their negligible photoionisation, make operation in the minute range realistic. The proposed simulator realizes an XXZ spin-1/2 Hamiltonian, with nearest-neighbour couplings ranging from a few to tens of kilohertz. All the model parameters can be dynamically tuned at will, making a large range of simulations accessible. Thus, the system evolution can be followed long enough to be relevant for ground-state adiabatic preparation and for the study of thermalization and disorder. In this thesis, as a first step towards the implementation of this quantum simulation scheme, we (i) demonstrate the preparation of cold circular Rydberg states in a 4.2 K cryogenic environment with optical access out of a cold atom cloud. Their lifetime reveals an effective microwave black-body temperature of 11±2 K. We (ii) assess the single qubit coherence time (268±5 μs) and lifetime (3.7±1 ms), and, finally, we (iii) demonstrate the laser trapping of circular Rydberg atoms to prove their negligible photoionisation at the timescale of 10 ms.