Simulation quantique avec un registre d'atomes uniques en microcavité optique

Quantum simulation with an atom-tweezer array in an optical microcavity

• Auteur / Autrice : Clément Raphin
• Direction : Jakob Reichel
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel

Mots clés

Mots clés libres

Electrodynamique quantique en cavité

Pinces optiques

Atomes froids

Cavity Quantum Electrodynamics

Optical tweezers

Cold atoms

Résumé

L'électrodynamique quantique en cavité (CQED) est l'un des outils les plus puissants pour générer des états intriqués à plusieurs particules. Cependant, jusqu'à présent, les expériences de CQED ne permettent pas le contrôle d'une seule particule, ni la détection résolue dans l'espace. Au Laboratoire Kastler-Brossel, nous avons récemment franchi une étape importante avec le développement d'un dispositif expérimental qui combine une microcavité optique de grande finesse, nous permettant de travailler dans le régime de couplage fort de la CQED, avec un système optique à grande ouverture numérique qui permet le contrôle et la détection d'un seul atome dans un registre de pinces optiques contrôlables individuellement. Ce nouveau système combine les avantages connus des réseaux de pinces optiques avec les puissants mécanismes d'interaction non locale caractéristiques des cavités en couplage fort, ouvrant ainsi de nouvelles voies pour l'ingénierie des corrélations spatiales d'états intriqués et le suivi de leur propagation résolu au niveau de la particule unique. L'objectif de ce projet doctoral est de réaliser les premières simulations quantiques dans ce nouveau régime. Nous étudierons les phénomènes de transport dans les systèmes de spin à longue portée avec un niveau de désordre contrôlable, qui sont très importants pour la matière condensée et l'optique quantique. La récente découverte expérimentale d'un transport d'excitations et de charges amélioré par la cavité dans des matériaux polaritoniques désordonnés spécifiques a suscité un ensemble substantiel de résultats essentiellement théoriques. En tirant parti du haut niveau de contrôle offert par la simulation quantique en cavité avec des atomes froids, nous mettrons en œuvre pour la première fois des mesures de transport de spin dans une chaîne d'atomes uniques couplés à la cavité. Plus précisément, l'état du qubit est encodé dans deux états fondamentaux hyperfins d'un atome de 87Rb. Dans ce régime de couplage particulièrement fort, la cavité permet l'apparition d'interactions effectives à portée infinie, tout en permettant une lecture efficace qubit par qubit. En outre, les pinces optiques permettent d'introduire un désordre ajustable, réalisant ainsi une véritable plateforme de simulation quantique. Cela nous permettra d'étudier les mécanismes physiques fondamentaux qui sous-tendent ces phénomènes de transport, faisant ainsi progresser de manière significative l'état de l'art dans ce domaine. Nous avons l'intention d'étendre nos recherches en explorant le transport de l'information quantique, ainsi que l'accumulation et la propagation de l'intrication le long du registre des qubits.

Cavity quantum electrodynamics (CQED) systems have proven to be one of the most powerful tools for generating many-particle entangled states. So far, however, they are constrained in terms of single particle control and spatially resolved detection. At the Laboratoire Kastler-Brossel, we have recently accomplished a significant milestone with the development of an experimental setup that combines a high-finesse optical microcavity, allowing us to work in the strong regime of cavity QED, with a high-numerical aperture optical system that enables single-atom control and detection in an array of individually controllable optical tweezers. This new system combines the known advantages of optical tweezers arrays with the powerful nonlocal interaction mechanisms characteristic of strong-coupling cavities, opening up new avenues for engineering spatial correlations of entangled states and monitoring their propagation with single-particle resolution. The goal of this PhD project is to perform first quantum simulations in this new regime. We will investigate transport phenomena in long-range interacting spin systems with a controllable level of disorder, which are highly relevant in condensed matter and quantum optics. The recent experimental discovery of cavity-enhanced transport of excitons and charge in specific disordered polaritonic materials has sparked a substantial body of mostly theoretical results. By leveraging the high level of control offered by the cold atom cavity simulator, we will implement for the first time, spin transport measurements in a single-atom chain coupled to the cavity. Specifically, the qubit state is encoded in two hyperfine ground states of a 87Rb atom. Operating deep inside the strong coupling regime, the cavity allows the creation of infinite-range effective interactions, while also enabling efficient qubit-by-qubit readout. Additionally, the optical tweezers allow the introduction of adjustable disorder, thereby realizing a true quantum simulation platform. This will enable us to investigate the fundamental physical mechanisms underlying these transport phenomena, thus significantly advancing the state of the art in this field. We intend to extend our investigation by exploring the transport of quantum information, as well as the build-up and spreading of entanglement along the qubit register.