Couplage fort entre le mode d’une cavité fibrée et un réseau d’atomes commensurable : un nouveau dispositif pour l’intrication multi-particule avec contrôle sur les atomes individuels

Strong coupling between a fiber-cavity mode and a commensurate atom lattice: a new platform for many-body entanglement with single-particle control

• Auteur / Autrice : Francesco Ferri
• Direction : Jakob Reichel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 25/09/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Franck Pereira dos santos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jakob Reichel, Axel Kuhn, Thierry Chanelière, Tracy Northup, Claus Zimmermann, Romain Long
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Axel Kuhn, Thierry Chanelière

Mots clés

Mots clés libres

Electrodynamique Quantique en Cavité

Couplage fort

Intrication multi-particule

Cavité fibrées

Atomes froids

Microscope à gaz quantique

Cavity Quantum Electrodynamics

Strong coupling

Multiparticle entanglement

Fiber cavities

Cold atoms

Quantum gas microscope

Résumé

La création d’états intriqués avec un grand nombre de particules contrôlables individuellement est un thème majeur de la physique quantique expérimentale moderne. Dans cette perspective, nous présentons un nouveau dispositif qui combine deux ingrédients principaux : le couplage collectif d’atomes froids de rubidium à une cavité optique et le contrôle individuel de chaque particule à travers un microscope à haute résolution. Au cœur de ce nouveau système il y a une cavité Fabry-Perot fibrée qui permet d’atteindre le régime de couplage fort de l’Electrodynamique Quantique en Cavité. En plus du champ sonde, un deuxième mode de cavité avec une longueur d’onde double crée un potentiel périodique visant à coupler de manière identique et maximale les atomes à la cavité. Nous décrivons des méthodes pour caractériser et optimiser le recouvrement spatial entre les deux ondes stationnaires en cavité. Les techniques pour combiner la cavité fibrée à un objectif de grande ouverture numérique sont aussi détaillées. Pour transporter les atomes froids de la région de capture à la cavité fibrée, un système fondé sur un piège dipolaire et un déflecteur acousto-optique a été développé, permettant d’atteindre un chargement rapide et efficace de la cavité. En combinant ces éléments, il a été possible d’observer le couplage fort entre les atomes et la cavité à travers des mesures du dédoublement de Rabi du vide. Cela constitue une étape essentielle vers la génération d’états intriqués avec ce dispositif expérimental, pour lequel la combinaison d’opérations collectives (à travers la cavité) et locales (grâce au microscope) sur les qubits atomiques est une voie prometteuse pour la réalisation de nouveaux schémas d’intrication.

A major focus in modern experimental quantum physics is to create many-particle entangled states with single-particle control. In this Thesis we present a new platform that aims at achieving this purpose by combining two main ingredients: the collective coupling of cold rubidium atoms to an optical cavity and the individual control of the particles via a high-resolution microscope. At the heart of our experimental system is a miniaturized fiber Fabry-Perot cavity that allows accessing the strong coupling regime of Cavity Quantum Electrodynamics (CQED). In addition to the CQED probe, a second cavity mode with twice the wavelength creates a lattice potential for identically and maximally coupling the atoms to the cavity. The spatial overlap between the two intra-cavity standing waves plays an essential role and we present methods to characterize and optimize it. We also report a technique for integrating the fiber cavity with a high-numerical aperture objective in a compact and stable setup. For transporting cold atoms from the capture region to the fiber resonator, we developed a system based on a movable optical dipole trap, driven by an acousto-optical deflector, which realizes a fast and efficient loading of the intra-cavity lattice. The combination of these elements allowed the observation of strong coupling between the cavity mode and the atoms in the 1D lattice via vacuum-Rabi-splitting measurements. This constitutes an important step towards generating many-body entanglement in our system, where the interplay between collective operations (performed via the cavity) and local control on the atomic qubits (provided by the microscope) is a promising approach for new entanglement schemes.