Gaz quantiques, corrélations et métrologie quantique

Quantum gases, correlations and quantum metrology

• Auteur / Autrice : Youcef Baamara
• Direction : Alice Sinatra, Manuel Gessner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• 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 : Philippe Grangier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Lodewyck, Bruno Laburthe-Tolra
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Barredo, Johannes Schachenmayer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Intrication quantique

Décohérence quantique

Mesure

Spin

Atomes froids

Mots clés libres

Métrologie quantique

Estimation d'un paramètre

Estimation multi-paramètres

Compression de spin

Non-localité

Décohérence

Quantum metrology

Parameter estimation

Multiparameter estimation

Spin squeezing

Nonlocality

Decoherence

Résumé

Dans la première partie de cette thèse, nous explorons le potentiel des états de spin non gaussiens, en proposant des cadres analytiques et en suggérant des implémentations pratiques, pour améliorer la précision dans les applications d'estimation de paramètres et de cartographie de champs. Nous identifions initialement le gain quantique offert par les états de spin surcomprimés générés par la dynamique dite "one-axis twisting" en fonction du temps, en tenant compte systématiquement de différents processus de décohérence. Malgré un avantage quantique métrologique dépassant celui des états comprimés de spin gaussiens, l'extraction de cet avantage quantique important dans les protocoles d'estimation de paramètres nécessite la mesure d'observables qui sont des fonctions non linéaires des trois composantes du spin collectif. Nous montrons ici l'efficacité des techniques de mesure après interaction, reconnues pour amplifier les signaux de sortie dans les protocoles d'estimation de paramètres quantiques, dans la mesure d'observables de spin collectif non linéaires. En examinant un système composé d'atomes distribués dans des modes spatialement séparés et individuellement accessibles, nous établissons alors qu'un gain quantique significatif, correspondant aux états comprimés et surcomprimés de spin, peut être obtenu dans les protocoles d'estimation multi-paramètres par la mesure des coefficients de Hadamard d'un signal 1D ou 2D. En combinant cela avec des techniques de compression d'image, nous montrons enfin que cette approche peut être rendue pratique. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous étendons les inégalités de Bell et les témoins de corrélation non locale tels que présentés précédemment dans la littérature aux scénarios impliquant un ensemble d'atomes distribués sur des sites de réseau, avec une probabilité non nulle de rencontrer des sites qui peuvent être soit vides, soit doublement occupés.

In the initial part of this thesis, we explore the potential of non-Gaussian spin states, offering analytical frameworks and suggesting practical implementations, to enhance precision in parameter estimation and field mapping applications. Initially, we identify the scaling behavior of the quantum gain offered by over-squeezed spin states induced through one-axis twisting as a function of time, taking systematically into account pertinent decoherence processes. Despite exhibiting a quantum metrological advantage surpassing that of spin-squeezed Gaussian states, the extraction of such large quantum gain in parameter estimation protocols requires measuring observables that are nonlinear functions of the three components of the collective spin. Subsequently, we illustrate the efficacy of measurement-after-interaction techniques, known for amplifying output signals in quantum parameter estimation protocols, in measuring nonlinear collective spin observables. By examining a system comprising atoms distributed in spatially separated and individually accessible modes, we then establish that a substantial quantum gain, corresponding to squeezed and over-squeezed spin states, can be achieved in multiparameter estimation protocols through the measurement of Hadamard coefficients of a 1D or 2D signal. When combined with image processing techniques, we finally show that this approach can be made practical. In the second part of this thesis, we extend the Bell inequalities and nonlocal correlation witnesses as previously presented in the literature to scenarios involving a set of atoms distributed across lattice sites, with non-zero probability of encountering sites that may be either empty or doubly occupied.