De l'intrication de quasi-particules dans un condensat de Bose-Einstein

On the entanglement of quasi-particles in a Bose-Einstein Condensate

• Auteur / Autrice : Victor Gondret
• Direction : Denis Boiron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 28/01/2025
• 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 (Palaiseau, Essonne ; 1998-....) - Laboratoire Charles Fabry / Gaz Quantiques
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Tommaso Roscilde, Radu Chicireanu, Valentina Parigi, Nicolas Pavloff, Frédéric Chevy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tommaso Roscilde, Radu Chicireanu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Quasi-particules

Espaces de Fock

Simulation quantique

Intrication quantique

Théorie quantique

Atomes froids

Mots clés libres

Atomes froids

Physique Quantique

Simulations quantiques

Gravité analogue

Intrication d'états gaussiens

Résonance paramétrique

Quantum Physics

Quantum simulations

Cold atoms

Analog gravity

Entanglement of Gaussian states

Parametric resonance

Résumé

Ce mémoire de thèse traite de la non-séparabilité de paires de quasi-particules excitées par résonance paramétrique. Le dispositif expérimental utilisé pendant cette thèse permet de produire un condensat de Bose-Einstein d'hélium métastable. L'utilisation d'un gaz d'atomes ultra-froid permet d'atteindre des températures suffisamment basses afin de pouvoir observer des phénomènes intrinsèquement quantiques : la non-séparabilité de l'état. Dans ce travail, nous utilisons le condensat comme un réservoir cohérent permettant de peupler deux modes d'impulsions. L'avantage de l'hélium métastable est sa grande énergie interne, qui permet la détection électronique de particules uniques. Nous mesurons donc la position et le temps d'impact des particules après un temps de vol de 308 ms, ce qui permet de reconstruire la distribution en impulsion dans le piège. Dans la première contribution théorique de ce travail, nous démontrons que la mesure des fonctions de corrélation à deux et quatre corps permet de quantifier la non-séparabilité d'un état gaussien. Nous dérivons également un critère permettant d'attester la séparabilité de l'état via la seule mesure la fonction de corrélation à deux corps. Dans la partie expérimentale, nous améliorons la machine permettant de produire notre gaz ultra-froid, ainsi que sa stabilité. Par ailleurs, nous mettons en œuvre des techniques originales afin de dévier une partie des atomes et éviter la saturation de notre détecteur. Ces améliorations nous permettent ainsi d'observer la non-séparabilité de l'état.

This thesis focuses on the non-separability of pairs of quasi-particles excited by parametric resonance. The experimental setup used here allows the production of a Bose-Einstein condensate of metastable helium. The use of an ultra-cold atomic gas makes it possible to reach sufficiently low temperatures to observe intrinsically quantum phenomena: the non-separability of the state. In this work, we use the condensate as a coherent reservoir to populate two momentum modes. The advantage of metastable helium is its high internal energy, which allows the electronic detection of single particles. We therefore measure the position and the time of impact of the particles after a time of flight of 308 ms, which allows us to reconstruct the in-trap momentum distribution. In the first theoretical contribution of this work, we demonstrate that measuring the two- and four-body correlation functions not only attests to, but also quantifies the non-separability of a Gaussian state. We also derive a new entanglement witness using only the two-body correlation function. In the experimental part, we improve the machine used to produce our ultra-cold gas and enhance its stability. We implement original techniques to deflect part of the atoms and avoid the saturation of our detector. These improvements allow us to observe the non-separability of the state.