Preparation and trapping of individual circular Rydberg atoms for quantum simulation

Préparation et piégeage d'atomes de Rydberg circulaires individuels pour la simulation quantique

• Auteur / Autrice : Brice Ravon
• Direction : Michel Brune
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 05/12/2022
• 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 de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Chevy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Brune, Frédéric Chevy, Jeffrey D. Thompson, Thierry Lahaye, Lauriane Chomaz, Bruno Laburthe-Tolra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jeffrey D. Thompson, Thierry Lahaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Atomes de Rydberg

Atomes froids

Simulation quantique

Atomes de Rydberg circulaires

Spectroscopie

Pinces optiques

Piégeage dipolaire

Piégeage pondéromoteur

Rydberg atoms

Cold atoms

Quantum simulation

Circular Rydberg atoms

Spectroscopy

Optical tweezers

Dipole trap

Ponderomotive trapping

Résumé

La simulation quantique offre des perspectives intéressantes pour la compréhension de systèmes complexes dans des régimes qui se prêtent difficilement à une approche numérique du problème. Dans cette perspective, une nouvelle architecture de simulateur quantique a récemment été proposée. Celle-ci modélise un hamiltonien XXZ à spin 1/2 dont les paramètres peuvent être contrôlés sur une large gamme. Les états de spin sont encodés sur des états de Rydberg circulaires en interaction dipolaire. Ceux-ci présentent des temps de vie plus longs que les états correspondants de bas moment angulaire utilisés actuellement pour réaliser des simulations quantiques. En outre, ils peuvent être piégés par laser en tirant profit de l’effet pondéromoteur, et voir leur temps de vie augmenté considérablement par l’inhibition de l’émission spontanée. Nous présentons dans cette thèse la première étape vers la mise en place ce simulateur quantique. Nous préparons dans un premier temps un tableau d’atomes de rubidium 87 piégés individuellement dans des pinces optiques. Ceux-ci sont alors excités vers l’état de Rydberg circulaire n = 52 et transférés dans des pièges creux en forme de bouteille. Nous mettons ainsi en évidence le piégeage pondéromoteur de ces états sur des durées de plusieurs millisecondes. Nous tirons ensuite profit de la détection optique des états ainsi préparés au cours de diverses expériences. Le potentiel de piégeage est caractérisé en mesurant sa fréquence d’oscillation transverse de chaque piège. Enfin, nous concluons en réalisant la manipulation cohérente de ces états circulaires piégés au travers d’oscillations de Rabi ainsi que la mesure de franges de Ramsey pour déterminer leur cohérence.

Quantum simulation offers interesting perspectives for the understanding of complex systems that are out of reach for numerical approaches. In this line, a new quantum simulation platform has recently been proposed. A spin-1/2 XXZ hamiltonian is thus realized in which the parameters can be controlled over a large range. The spin states are encoded by circular Rydberg states coupled through dipole-dipole interaction. These states benefit from longer lifetimes compared to the low angular momentum states used for current quantum simulations. In addition, they can be laser-trapped through the ponderomotive effect, and their lifetime can be further enhanced by spontaneous emission inhibition. We present in this thesis the first step towards the implementation of the proposed quantum simulator. We first prepare an array of rubidium 87 atoms trapped individually in optical tweezers. These atoms are subsequently excited to the circular Rydberg state n = 52 and transferred to hollow bottle-beam traps. We thus demonstrate the ponderomotive trapping of these states over durations of several milliseconds. We take advantage of the optical detection of the states thus prepared with various experiments. We characterize the trapping potential by measuring its transverse frequency. We finally conclude with the coherent manipulation of these trapped circular states through Rabi oscillations and Ramsey interferometry to determine their coherence.