Dynamiques de corrélations et d'intrication dans des gaz d'atomes froids

Dynamics of correlations and entanglement in cold atomic gases

• Auteur / Autrice : Youssef Trifa
• Direction : Tommaso Roscilde
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/07/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Sylvain Nascimbène
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tommaso Roscilde, Sylvain Nascimbène, Alice Sinatra, Luis Santos, Emilia Witkowska Nery, Johannes Schachenmayer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alice Sinatra, Luis Santos

Mots clés

Mots clés libres

Compression de spin

Grand spin

Intrication

Atomes dipolaires

Ansatz gaussian

Séparation de variable rotateur/ondes de spin

Spin squeezing

Large spin

Entanglement

Dipolar atoms

Gaussian ansatz

Rotor/spin-wave separation of variables

Résumé

Le problème quantique à N corps, notamment l’étude des propriétés dynamiques d’un système quantique composite est l’un des problèmes les plus durs de la physique moderne, car il y a peu de résultats analytiques et les méthodes numériques exactes requièrent des ressources numériques exponentielles en la taille du système. Dans cette thèse, nous avons étudié la mise en évidence de propriétés de corrélations et d’intrication pour des systèmes d’atomes magnétiques sur réseau, par exemple via la compression de spin. Pour cela nous avons mis au point de nouvelles méthodes numériques approchées, qui permettent de simuler des systèmes de grande taille. Cela nous a permis de proposer des protocoles qui permettent de générer de la compression de spin qui croit d’autant plus que le système est grand, ce qui a un double intérêt. D’une part, il s’agit d’un témoin d’intrication, qui permettrait donc de détecter de l’intrication dans un système d’atomes magnétiques, ce qui n’a pas encore été réalisée expérimentalement à ce jour. D’autre part la compression de spin présente un important intérêt métrologique, puisque les états comprimés permettent des mesures extrêmement précises de champs magnétiques par exemple, bien au-delà de ce qui est possible avec des atomes indépendants. Enfin, nous avons étudié la génération d’autres formes d'intrication, à savoir la compression à deux modes (de spin, ou d'impulsion), cette fois pour des systèmes d’atomes condensés. Connue dans le cas de condensats d’atomes de spin-1, nous avons proposé comment généraliser ce processus au cas de compression en impulsion, en utilisant un Hamiltonien modulé dans le temps. Les états intriqués ainsi produits sont potentiellement très intéressants dans la mesure à haute précision de forces inertielles.

The quantum many-body problem, and especially the study of dynamical properties of a multipartite quantum system, is one of the hardest problems of modern physics. There exist only a few analytical results and exact numerical simulations require an amount of resources that grow exponentially with the system size.In this thesis, we studied correlations and entanglement properties for systems composed of magnetic atoms on a lattice, for instance via the generation of spin squeezing. For this purpose we have developed new approximate numerical methods that allow us to study large system sizes. This enabled us to propose protocols to generate an amount of spin squeezing that scales with the system size. The advantage is twofold. Since spin squeezing is an entanglement witness, this would allow for entanglement detection in a system of magnetic atoms - which has yet to be realized experimentally. Moreover, spin squeezing offers an important metrological advantage, asspin-squeezed states can be used for extremely precise measurements of external magnetic fields, far beyond what one can achieve within dependent atoms.Finally, we studied the generation of other forms of entanglement, namely Dicke squeezing (of spin or momentum), in systems of Bose condensed atoms. This form of entanglement is well-known in spin-1 atomic condensates. Here, we propose a protocol to generalize it to the case of momentum modes, using a time-dependent Hamiltonian. The entangled states generated during the dynamics are potentially useful for the precision measurements of inertial forces.