Antibunching de la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids

Antibunching of light scattered by a cold atomic cloud

• Auteur / Autrice : Apoorav Deo
• Direction : Mathilde Hugbart
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Physique de Nice

Mots clés

Mots clés libres

Diffusion de la lumière

Atomes froids

Corrélations d'intensité

Scattering of light

Cold atoms

Intensity correlations

Résumé

Les atomes froids couplés à des photons constituent une plate-forme prometteuse pour l'information, l'informatique et la communication quantiques : les atomes sont des systèmes adéquats pour stocker et/ou corréler les photons, tandis que les photons eux-mêmes peuvent être des vecteurs d'information sur de grandes distances. La lumière émise par un émetteur quantique, tel qu'un atome, présente généralement des corrélations quantiques et du squeezing, qui sont au cœur de nombreuses applications des technologies quantiques. Alors que l'antibunching est l'ingrédient clé des sources de photons uniques, la lumière squeezée est un outil important pour la détection quantique avec un bruit inférieur à shot noise. L'antibunching se produit naturellement pour la lumière émise par un émetteur quantique unique et disparaît en présence de nombreux émetteurs. Néanmoins, il est possible d'obtenir de la lumière antibunchée et squeezée en utilisant de nombreux atomes : au lieu de collecter la fluorescence des atomes, on utilise la lumière transmise à travers le nuage atomique. Cela a été démontré récemment par le groupe d'Arno Rauschenbeutel en Allemagne dans un système 1D avec des atomes froids piégés et interfacés optiquement avec une nanofibre optique [1]. Ce nouveau schéma, qui repose sur la réponse collective non linéaire des atomes, est à la fois d'un intérêt fondamental et intéressante en termes d'applications. Cependant, l'expérience sur les nanofibres nécessite une installation complexe et est difficile à mettre en œuvre dans des applications pratiques. L'objectif de notre expérience est maintenant d'essayer de détecter l'antibunching et la lumière squeezée avec de nombreux émetteurs quantiques dans un système 3D. Cet objectif sera mis en œuvre et étudié dans le cadre de notre expérience sur les atomes froids, en tirant parti de notre capacité à générer des nuages d'atomes froids de grande épaisseur optique, une condition nécessaire à ce projet. La technique expérimentale est basée sur la mesure de corrélation d'intensité, un outil expérimental largement utilisé dans notre expérience pour étudier la lumière diffusée par un nuage d'atomes froids, du régime de diffusion simple au régime de diffusion multiple, et du régime classique au régime quantique [2]. La collaboration actuelle avec le groupe d'Arno Rauschenbeutel permettra enfin de déterminer les paramètres expérimentaux nécessaires à l'observation de cet antibunching.

Cold atoms coupled to photons are a promising platform for quantum information, computation and communication: atoms are adequate systems to store and/or correlate photons, while the photons themselves can be efficient carriers of information over great distances. The light radiated by a quantum emitter, such as an atom, generally features quantum correlations and squeezing, which are at the heart of many applications in quantum technologies. While antibunching is the key ingredient for single-photon sources, squeezed light is an important tool for sub-shot- noise quantum sensing. Antibunching naturally occurs in the light emitted by a single quantum emitter and vanishes for many emitters. Still, antibunched and squeezed light can be obtained using many atoms: instead of collecting the atoms fluorescence, one uses the light transmitted through the atomic cloud. This has been demonstrated recently by the group of Arno Rauschenbeutel in Germany in a 1D system with cold atoms trapped and optically interfaced with an optical nanofiber. This new scheme, which is based on the atoms' collectively enhanced non-linear response, is both of fundamental interest and favourable for applications. However, the nanofiber experiment requires a complex setup and is difficult to implement in practical applications. The goal on our experiment is now to try to detect antibunching and squeezed light with many quantum emitters in a 3D system. This will be implemented and studied on our cold-atom experiment, taking advantage of our experience with generating clouds of cold atoms with large optical thickness, a prerequisite for this project. The experimental technique is based on intensity correlation measurement, an experimental tool largely used on our experiment to study the light scattered by a cold atomic cloud, from single to multiple scattering regime, and from classical to quantum regime. The current collaboration with the group of Arno Rauschenbeutel will finally help to determine the experimental parameters needed to observe this antibunching effect.