Simulation quantique d'Hamiltoniens de spin à l'aide de matrices d'atomes de Rydberg individuels

Quantum simulation of spin Hamiltonians using arrays of single Rydberg atoms

• Auteur / Autrice : Gabriel Emperauger
• Direction : Thierry Lahaye
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/09/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Optique Quantique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)

Mots clés

Mots clés libres

Simulation quantique

Magnétisme quantique

Atomes de Rydberg

Pinces optiques

Rydberg atoms

Quantum simulation

Optical tweezers

Quantum magnetism

Résumé

Au cours des dernières années, notre groupe a développé une plate-forme expérimentale polyvalente pour la simulation quantique de modèles de spin, basée sur des matrices d'atomes uniques piégés dans des pinces optiques, et interagissant fortement les uns avec les autres lorsqu'ils sont excités dans des niveaux de Rydberg. Selon la façon dont le pseudo-spin 1/2 est encodé dans les niveaux atomiques, un système d'atomes de Rydberg implémente naturellement soit l'Hamiltonien d'Ising, soit l'Hamiltonien XY, qui sont des modèles iconiques du magnétisme quantique, et que nous avons déjà explorés ces dernières années [1,2,3]. L'objectif de cette thèse sera, d'une part, de poursuivre nos études sur les modèles d'Ising et XY, en mettant l'accent sur le magnétisme frustré et la matière topologique, grâce à nos récentes améliorations en termes de cohérence et de nombre de spins, et, d'autre part, d'étendre les capacités de la plate-forme afin que d'autres modèles de spin, par exemple régis par l'Hamiltonien XXZ, ou avec un spin supérieur à 1/2, puissent être simulés.

Over the past few years, our group has developed a versatile experimental platform for quantum simulation of spin models, based on arrays of single atoms trapped in optical tweezers, and strongly interacting with each other when excited to Rydberg levels. Depending on the way the pseudo-spin is encoded in the atomic levels, a system of Rydberg atoms naturally implements either the Ising Hamiltonian, either the XY Hamiltonian. These are iconic models of quantum magnetism, and we have already explored them in recent years [1,2,3]. The goal of this thesis will be, on the one hand, to continue our studies of the Ising and XY models, with an emphasis on frustrated magnetism and topological matter, using our recent improvements in terms of coherence and number of spins, and, on the other hand, to extend the capabilities of the platform so that other spin models, with e.g. a tuneable XXZ Hamiltonian or with a spin higher than 1/2, can be simulated.