Optique atomique quantique avec des atomes d'hélium métastables

Quantum atom optics with metastable helium atoms

• Auteur / Autrice : Quentin Marolleau
• Direction : Denis Boiron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 13/12/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Alberto Bramati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Boiron, Laurent Vernac, William Guérin, Rosa Tualle-Brouri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Vernac, William Guérin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interférométrie atomique

Inégalités de Bell

Théorie quantique

Condensation de Bose-Einstein

Intrication quantique

Atomes froids

Mots clés libres

Non localité

Atomes ultra-Froids

Mécanique quantique

Inégalités de Bell

Interférométrie atomique

Helium métastable

Quantum mechanics

Nonlocality

Metastable helium

Atom interferometry

Bell inequalities

Ultra-Cold atoms

Résumé

Les propriétés de corrélation et d’intrication de certains états quantiques à multiples particules ont été mises en évidence à partir des années 80, dans le cadre de la photonique. Depuis lors, la production et caractérisation d’états non-classiques dans divers contextes est devenue une thématique de recherche très féconde, ainsi qu’un important enjeu pour le développement des technologies quantiques. Cette thèse présente une plateforme expérimentale permettant de préparer des atomes d’hélium dans des états d’impulsion forte-ment corrélés. Le dispositif de détection qui a été développé dans notre groupe (à trois dimensions et résolu à l’atome unique) permet de sonder efficacement ces propriétés de corrélation, ce qui est en général difficilement réalisable pour la plupart des montages expérimentaux similaires.Plus particulièrement, ce manuscrit contient une première partie théorique qui traite d’une part de la généralisation de l’effet Hong-Ou-Mandel dans un contexte à multiples particules, et d’autre part de la mise œuvre d’une expérience de test des inégalités de Bell pour des atomes intriqués en vitesse. Ces deux expériences pourraient être réalisées prochainement dans notre équipe. Une seconde partie expérimentale rend compte des ré-cents progrès effectués sur la plateforme, ainsi que les derniers résultats expérimentaux concernant les propriétés de corrélation de la source atomique que nous avons mise en place.

Correlation and entanglement proper-ties of multi-particle quantum states have been de-monstrated since the 1980s in the context of pho-tonics. Since then, the production and characte-risation of non-classical states in various contexts has become a very fruitful research topic, as well as a burning issue for the development of quantum technologies. This thesis presents an experimental platform able to prepare helium atoms in strongly correlated momentum states. The detection tech-nique that has been developed in our group (three-dimensional and resolved to the single atom) al-lows to efficiently probe these correlation proper-ties, which is in general difficult to achieve for most similar experimental setups.In particular, this manuscript contains a first part of theoretical nature, which deals on the one hand with the generalisation of the Hong-Ou-Mandel effect (in a context where more than two particles are involved) ; and on the other hand with the implementation of an experiment testing the Bell inequalities for atoms entangled with respect to their velocities. Both experiments could be car-ried out by our team in the near future. A second experimental part reports on the recent progress made on the platform, as well as the latest expe-rimental results concerning the correlation proper-ties of the atomic source that we have set up.