Manipulation du spin d'atomes ultrafroids de dysprosium pour encoder des états quantiques critiques, intriqués, et topologiques de la matière

Manipulating ultracold dysprosium’s atomic spin to encode quantum critical, entangled, and topological states of matter

• Auteur / Autrice : Tanish Satoor
• Direction : Sylvain Nascimbène
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance le 07/10/2022
• 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 opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Bruno Laburthe-Tolra
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Nascimbène, Bruno Laburthe-Tolra, Philipp Treutlein, Tommaso Roscilde, Karyn Le Hur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philipp Treutlein, Tommaso Roscilde

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie quantique

Mots clés libres

Gaz quantiques

Atomes ultrafroids

Criticité quantique

Intrication quantique

Matière topologique

Quantum gases

Ultracold atoms

Quantum criticality

Quantum entanglement

Topological matter

Résumé

Cette thèse porte sur trois études utilisant des gaz ultrafroids d'atomes de dysprosium bosoniques. Nous encodons des états quantiques d'intérêt dans le grand spin électronique J=8 de l'état fondamental de chaque atome. Des transitions optiques étroites sont utilisées pour manipuler ces états en créant de forts décalages lumineux tensoriels dépendant du spin avec un chauffage négligeable. Notre schéma de détection utilise des rotations de spin arbitraires suivies d'une mesure des probabilités de projection de chaque état interne. Premièrement, nous étudions un modèle d'Ising de spins 1/2 quantiques soumis à un champ transverse et interagissant à portée infinie. Ce modèle présente une transition de phase quantique du type paramagnétique-ferromagnétique dans la limite thermodynamique. Notre expérience repose sur l'équivalence formelle entre les états d'un spin J=8 et les états symétriques par échange de 2J=16 qubits dans le secteur de spin maximal. Nous sondons les propriétés thermodynamiques et dynamiques, révélant un comportement critique quantique de taille finie autour de la transition. Ensuite, nous testons directement le lien fondamental entre la brisure de symétrie et l'apparition d'un paramètre d'ordre fini. Ceci est rendu possible par l'accès à l'observable collectif qui définit la symétrie Z2 sous-jacente. Deuxièmement, nous partitionnons le spin électronique pour révéler l'intrication dans les états non-classiques. En couplant optiquement le niveau de base à un état excité J'=J-1, nous extrayons une paire de qubits encodés dans un état défini par la polarisation de la lumière. Nous sondons la concomitance (concurrence) des paires de qubits extraites des états W et des états comprimés pour quantifier leur caractère non-classique. Nous démontrons directement l'intrication entre les sous-systèmes à 14 et 2 qubits par une augmentation de l'entropie lors de la partition. Dans un ensemble complémentaire d'expériences, nous sondons la décohérence d'un état préparé dans le niveau excité J'=J+1 et interprétons l'émission spontanée comme la perte d'une paire de qubits dans un état aléatoire. Cela nous permet de contraster la robustesse des corrélations non classiques par paire de l'état W avec la fragilité de la cohérence d'un état chat de Schrödinger. Troisièmement, nous simulons un système de Hall quantique en exploitant le spin de l'état fondamental électronique comme une dimension synthétique discrète, et en le couplant optiquement au mouvement atomique le long d'une deuxième dimension réelle. Cela crée un champ magnétique artificiel, les deux dimensions couplées formant un ruban de Hall avec des bords nets le long de l'axe synthétique. Nous démontrons que le grand nombre de sous-niveaux magnétiques conduit à des comportements distincts dans le coeur et sur les bords du système, et à une réponse de Hall caractéristique d'une topologie non-triviale. Nous effectuons une étude préliminaire du spectre d'intrication associé à une partition au centre de la dimension synthétique, et nous expliquons comment de futures études pourraient directement implémenter le hamiltonien d'intrication correspondant. Nous concluons avec une feuille de route pour étendre les techniques présentées dans cette thèse afin de réaliser des états topologiques à N corps.

This thesis describes three studies using ultracold gases of bosonic dysprosium atoms. We encode quantum states of interest in the large electronic ground state spin J=8 of each atom. Narrow-line optical transitions are used to manipulate these states by creating strong spin-dependent tensor light shifts with negligible heating. Our detection scheme uses arbitrary spin rotations followed by measurement of projection probabilities with single magnetic sublevel resolution. Firstly, we study a transverse-field Ising model of quantum spin-1/2’s with infinite-range interactions. This model shows a paramagnetic to ferromagnetic quantum phase transition in the thermodynamic limit. Our experiment relies on the formal equivalence between the states of a spin J=8 and exchange-symmetric states of 2J=16 qubits in the sector of maximum total spin. We probe the thermodynamic and dynamical properties, revealing finite-size quantum critical behaviour around the transition point. We also directly test the fundamental link between symmetry breaking and the appearance of a finite order parameter. This is enabled by access to the collective observable defining the underlying Z2 symmetry. Secondly, we partition the electronic spin to reveal entanglement in nonclassical states. By optically coupling the ground level to an excited state J' = J-1, we remove a pair of encoded qubits in a state defined by the light polarisation. We probe the concurrence of qubit pairs extracted from W and squeezed states to quantify their nonclassical character. We directly demonstrate entanglement between the 14- and 2-qubit subsystems via an increase in entropy upon partition. In a complementary set of experiments, we probe the decoherence of a state prepared in the excited level J' = J + 1 and interpret spontaneous emission as a loss of a qubit pair in a random state. This allows us to contrast the robustness of nonclassical pairwise correlations of the W state with the fragility of the coherence of a Schrödinger cat state. Thirdly, we simulate a quantum Hall system by exploiting the electronic ground state spin as a discrete synthetic dimension, and optically coupling it to atomic motion along a second real dimension. This creates an artificial magnetic field, with the two coupled dimensions forming a Hall ribbon with sharp edges along the synthetic axis. We demonstrate that the large number of magnetic sublevels leads to distinct bulk and edge behaviours, and a Hall response characteristic of a non-trivial topology. We perform a preliminary investigation of the entanglement spectrum associated with a partition at the centre of the synthetic dimension, and we explain how future studies could directly implement the corresponding entanglement Hamiltonian. We conclude with a roadmap for extending the techniques presented in this thesis in order to realise many-body topological states.