Contrôle de phase et façonnage d'impulsion de la diffraction de Bragg pour l'optique atomique quantique : des interférences d'ondes de matière à un test d'inégalité de Bell

Phase control and pulse shaping in Bragg diffraction for quantum atom optics : from matter-wave interferences to a Bell's inequality test

• Auteur / Autrice : Charlie Leprince
• Direction : Christoph Westbrook
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/06/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'Optique
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Roch
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Pereira Dos Santos, Caroline Champenois, Juliette Billy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Pereira Dos Santos, Caroline Champenois

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes -- Diffraction

Atomes froids

Interféromètres

Intrication quantique

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Hélium métastable

Condensat de Bose-Einstein

Inégalité de Bell

Interféromètre atomique

Diffraction de Bragg

Metastable helium

Bose-Einstein Condensate

Bell's inequality

Atom interferometer

Bragg diffraction

Résumé

La mécanique quantique est une théorie qui décrit le comportement des systèmes physiques à l'échelle microscopique. Fondamentalement différente de la physique classique, elle prédit des résultats parfois contraires à l'intuition classique, et notamment le phénomène d'intrication, qui prévoit que pour un système de deux particules dites intriquées, on ne peut pas décrire chaque particule indépendamment. La mesure d'une observable physique sur une particule affecte également l'autre, quelle que soit la distance entre les particules, donnant lieu à l'observation de très fortes corrélations.Une façon de caractériser un système intriqué est de réaliser un test d'inégalité de Bell, qui consiste à mettre en évidence des corrélations si fortes qu'elles ne peuvent pas être expliquées non seulement par la théorie classique, mais par aucune théorie à variables cachées locale. Si de tels tests ont été réalisés avec des photons depuis les années 1980 avec les expériences d'Aspect à Orsay, le projet décrit dans cette thèse se propose de mettre en place un interféromètre de Bell mettant en jeu des atomes d'hélium métastables intriqués en impulsion. A partir d'atomes préparés dans un état quantique bien défini grâce au phénomène de condensation de Bose-Einstein, des paires d'atomes fortement corrélées sont émises à des impulsions différentes par le processus de mélange à quatre ondes, puis les atomes sont envoyés dans un interféromètre à deux particules et quatre modes d'impulsion. Pour cela, on utilise la diffraction de Bragg, pour transférer de l'impulsion aux atomes de façon cohérente et ainsi former des miroirs et séparatrices à atomes.Dans cette thèse, on étudie en détails la diffraction de Bragg et son influence dans la réalisation d'un interféromètre de Bell. On propose une méthode originale pour contrôler la différence de phase imprimée sur les atomes entre les deux doublets d'impulsion en jeu, en modulant temporellement l'amplitude de la pulsation de Rabi. Cette technique est également mise à profit pour façonner le profil temporel des miroirs et séparatrices Bragg afin d'améliorer leurs propriétés de réflectivité et de phase. Une étude théorique et expérimentale est réalisée pour déterminer les performances accessibles avec ces miroirs et séparatrices. De premiers tests interférométriques sont reportés (interféromètres de type Mach-Zehnder, Ramsey, Hong-Ou-Mandel), validant la technique de contrôle de phase notamment et donnant des résultats prometteurs quant à la réalisation prochaine d'un test de Bell.

Quantum mechanics is a theory that describes the behavior of physical systems at the microscopic scale. Fundamentally different from classical physics, it predicts results sometimes contrary to classical intuition, including the phenomenon of entanglement, which suggests that for a system of two entangled particles, each particle cannot be independently described. The measurement of a physical observable on one particle also affects the other, regardless of the distance between the particles, leading to the observation of very strong correlations.One way to characterize an entangled system is to perform a Bell inequality test, which aims to exhibit correlations so strong that they cannot be explained not only by classical theory but by any local hidden variable theory. While such tests have been conducted with photons since the 1980s with the Aspect experiments in Orsay, the project described in this thesis aims to set up a Bell interferometer involving metastable helium atoms entangled in momentum. Starting with atoms prepared in a well-defined quantum state thanks to the phenomenon of Bose-Einstein condensation, pairs of highly correlated atoms are emitted at different momenta through the four-wave mixing process. These atoms are then sent through a two-particle, four-momentum mode interferometer using Bragg diffraction to coherently transfer momentum to the atoms and create atom mirrors and beam splitters.In this thesis, we study in detail Bragg diffraction and its influence on the realization of a Bell interferometer. We propose an original method to control the phase difference imprinted on the atoms between the two involved momentum doublets by temporally modulating the amplitude of the Rabi frequency. This technique is also used to shape the temporal profile of Bragg mirrors and beam splitters to improve their reflectivity and phase properties. A theoretical and experimental study is conducted to determine the achievable performance with these mirrors and beam splitters. Initial interferometric tests are reported (Mach-Zehnder, Ramsey, Hong-Ou-Mandel interferometers), validating the phase control technique in particular and showing promising results for the upcoming realization of a Bell test.