Construction d'un simulateur quantique à atomes de Rydberg de nouvelle génération

Building a new-generation Rydberg quantum simulator

• Auteur / Autrice : Lukas Klein
• Direction : Thierry Lahaye
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Optique Quantique
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'Optique

Mots clés

Mots clés libres

Simulation quantique

Atomes de Rydberg

Magnetisme quantique

Quantum simulation

Rydberg atoms

Quantum magnetism

Résumé

Notre groupe a développé au cours des dernières années une plateforme expérimentale polyvalente pour la simulation quantique de modèles de spin, basée sur des réseaux 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 [1]. Nous générons des réseaux d'atomes sans défaut, jusqu'à 200 atomes, avec un contrôle presque total de la géométrie en une, deux et trois dimensions [1]. Les interactions entre les atomes de Rydberg nous permettent d'implémenter des Hamiltoniens de spin de Ising [2], XY [1,4], et plus récemment XXZ [3]. Nous utilisons cette plateforme pour explorer expérimentalement, en étroite collaboration avec des collègues théoriciens, des problèmes fondamentaux de la physique quantique à plusieurs corps, tels que les propriétés de l'état fondamental [4] et la dynamique [5] des aimants quantiques, ou la réalisation de phases topologiques de la matière telles que les liquides de spin de Dirac ou les aimants XY à longue portée. La thèse consistera (1) à mettre à niveau le dispositif expérimental pour améliorer ses performances en termes de nombre d'atomes, de fidélité des opérations quantiques et d'outils de diagnostic pour caractériser l'intrication, et (2) à l'utiliser pour les études mentionnées ci-dessus, en particulier l'étude de phase exotiques de la matière (liquides de spin, matière topologique, etc.).

Over the past few years, our group has developed a versatile experimental platform for the quantum simulation of spin models, based on arrays of single atoms trapped in optical tweezers and interacting strongly with each other when excited to Rydberg levels [1]. We generate defect-free arrays of up to 200 atoms, with almost complete control of the geometry in one, two and three dimensions [1]. Interactions between Rydberg atoms allow us to implement spin Hamiltonians such as the Ising [2], XY [1,4], and more recently XXZ models [3]. We use this platform to explore experimentally, in close collaboration with theoretical colleagues, fundamental problems in many-body quantum physics, such as the ground-state properties [4] and dynamics [5] of quantum magnets, or the realization of topological phases of matter such as Dirac spin liquids or long-range XY magnets. The PhD will involve (1) upgrading the experimental set-up to improve its performance in terms of number of atoms, fidelity of quantum operations and diagnostic tools to characterize entanglement, and (2) using it for the studies mentioned above, in particular the study of exotic phases of matter (spin liquids, topological matter, etc.).