Amélioration d'une horloge sur puce à atomes via la compression de bruit de spin

Improving an Atomic Clock on a Chip via Spin-squeezing

• Auteur / Autrice : Jose Alberto de la Paz Espinosa
• Direction : Carlos L. Garrido Alzar, Jakob Reichel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/10/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes de référence temps-espace (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Philipp Treutlein
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christof Janssen
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Luca Pezzé, Onur Hosten

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrodynamique quantique en cavité

Intrication quantique

Spin

Horloges atomiques

Mots clés libres

Métrologie quantique

Puce à atomes

Intrication

Horloge atomique

États comprimés de spin

Électrodynamique quantique en cavité

Quantum Metrology

Atom chip

Entanglement

Atomic Clock

Spin-squeezed states

Cavity QED

Résumé

Les capteurs atomiques sont des dispositifs très sensibles utilisés dans les étalons de temps et de fréquence, la détection inertielle et les mesures de précision des champs électromagnétiques. Aujourd'hui, ils sont développés au point d'être limités par leur nature quantique, c'est-à-dire la limite quantique standard (SQL). Cette limite découle du comportement individuel et non corrélé des atomes utilisés. Toutefois, il a été démontré que l'on peut surmonter cette limite en générant des corrélations quantiques et un enchevêtrement entre les atomes. La preuve de principe de la génération d'intrication peut être accomplie via différents protocoles, mais cela a très rarement été fait dans des dispositifs de qualité métrologique. Dans cette thèse, nous utilisons une plateforme d'électrodynamique quantique en cavité (cQED) pour créer un type d'état corrélé quantique dit état comprimé de spin. Nous utilisons comme plateforme une horloge à atomes piégés sur puce (TACC) pour générer ces états intriqués. Ce dispositif de qualité métrologique nous permet d'étudier la dynamique due aux interactions de spin sur une longue échelle de temps, de l'ordre de la seconde. La stabilité de l'appareil est confirmée par une déviation fractionnelle de la fréquence d'Allan de 6×10-13 à 1 s, une performance battant les horloges à atomes compactes disponibles dans le commerce.

Atom sensors are highly sensitive devices used in time and frequency standards, inertial sensing and precision measurements of electromagnetic fields. Nowadays, they are developed to the extent that they can be limited by their quantum nature, i.e., the standard quantum limit (SQL). This limit arises from the individual and uncorrelated behaviour of the used atoms. However, it has been demonstrated that one can overcome this limit via the generation of quantum correlations and entanglement between the atoms. Proof of principle entanglement generation can be accomplished via different protocols, but this has very seldom been done in metrology-grade devices. In this thesis, we use a cavity quantum electrodynamics (cQED) platform to create a type of quantum correlated state named spin squeezed. We use as a platform a trapped-atom clock on a chip (TACC) to generate these entangled states. This metrology-grade device allows us to study the dynamics due to spin interactions in the long time scale, on the order of a second. The stability of the apparatus is confirmed by a fractional frequency Allan deviation of 6×10−13 at 1 s, a performance beating commercially available compact atom clocks.