Interactions entre atomes de Rydberg circulaires piégés pour la simulation quantique

Interactions between optically-trapped circular Rydberg atoms for quantum simulation

• Auteur / Autrice : Paul Méhaignerie
• Direction : Jean-Michel Raimond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/10/2023
• 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 : Emily Lamour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Simonet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benjamin Huard, Shannon Whitlock

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pièges optiques

Atomes froids

Simulation quantique

Rydberg, États de

Mots clés libres

Rydberg

Simulation quantique

Piégeage d'atomes

Rydberg

Quantum Simulations

Atom trapping

Résumé

Les atomes de Rydberg circulaires, de par leur long temps de vie et fortes interactions dipolaires ajustables, sont des candidats prometteurs pour l’implémentation de simulations quantiques dans des régimes jusqu’à présent hors d’atteinte. Un nouveau paradigme de simulateur quantique, basé sur un encodage des qubits dans des états circulaires, implémenterait ainsi un hamiltonien XXZ de spins ½ dont les paramètres seraient ajustables dynamiquement et sur une large gamme de valeurs. Cette thèse traite des premières étapes dans la construction de ce simulateur quantique. Nous présentons tout d’abord la réalisation de réseaux bi-dimensionnels, à géométrie arbitraire, d’atomes de Rydberg circulaires piégés optiquement. Nous préparons dans ce but un tableau d’atomes de rubidium ultra-froids, piégés individuellement dans des pinces optiques. Un faisceau additionnel de position ajustable nous permet de réarranger les atomes au sein du tableau, afin d’implémenter la géométrie voulue de façon déterministe. Nous excitons ensuite les atomes vers l’état circulaire n=52, tout en les piégeant à ce stade dans des faisceaux creux par le biais de la force pondéromotrice. Ces capacités expérimentales nous ont permis de mesurer, pour la première fois, les interactions dipolaires entre atomes circulaires, au sein de paires d’atomes piégés côte à côte. Nous avons vérifié le bon accord de ces mesures avec les attentes théoriques et mis en évidence leur variation en fonction de la géométrie du système. Cette étude expérimentale est couplée à une investigation du mouvement des atomes circulaires au sein de leurs pièges.

Circular Rydberg atoms, with their long lifetimes and adjustable strong dipolar interactions, are promising candidates for the implementation of quantum simulations in regimes that were previously out of reach. A new quantum simulator paradigm, based on qubits encoded in circular states, would implement an XXZ spin-1/2 Hamiltonian with dynamically adjustable parameters over a wide range of values. This thesis addresses the preliminary steps in constructing such a quantum simulator. First, we present the realization of two-dimensional arrays of optically-trapped circular Rydberg atoms with arbitrary geometries. For this purpose, we prepare arrays of ultra-cold rubidium atoms, individually trapped in optical tweezers. An additional beam with adjustable position allows us to rearrange the atoms within the array to implement the desired geometry in a deterministic manner. We then excite the atoms to the circular state with principal quantum number n=52, while trapping them in hollow beams using the ponderomotive force. These experimental capabilities allowed us to control and characterize, for the first time, the dipolar interactions between circular states, within pairs of individually trapped atoms. We showed the good agreement of these measurements with theoretical expectations and highlighted their dependence on the system's geometry. This experimental study is coupled to an investigation of the motion of the circular atoms within their traps.