Nous avons realise une mesure Quantiques Non Destructives du nombre de photons d'un champ piege dans une cavite de temps d'amortissement T=0,13s. Nous envoyons des atomes de Rydberg circulaires a travers la cavite ou une interaction dispersive deplace leur frequence propre proportionnellement au nombre de photons. Ce deplacement lumineux est detecte par interferometrie atomique de Ramsey. Le temps d'amortissement du champ est suffisamment long pour permettre d'observer les sauts quantiques du nombre de photons dus a la relaxation. L'analyse statistique des differentes trajectoires permet de realiser une tomographie partielle de ce processus responsable de la decoherence des etats de Fock |n> en un temps T/n. La projection d'un champ initialement coherent sur un etat de Fock lors de la mesure s'accompagne d'une dispersion totale de sa phase. Cette action en retour est utilisee pour geler la croissance coherente du champ par effet Zenon quantique.
Nous avons realise une mesure Quantiques Non Destructives du nombre de photons d'un champ piege dans une cavite de temps d'amortissement T=0,13s. Nous envoyons des atomes de Rydberg circulaires a travers la cavite ou une interaction dispersive deplace leur frequence propre proportionnellement au nombre de photons. Ce deplacement lumineux est detecte par interferometrie atomique de Ramsey. Le temps d'amortissement du champ est suffisamment long pour permettre d'observer les sauts quantiques du nombre de photons dus a la relaxation. L'analyse statistique des differentes trajectoires permet de realiser une tomographie partielle de ce processus responsable de la decoherence des etats de Fock |n> en un temps T/n. La projection d'un champ initialement coherent sur un etat de Fock lors de la mesure s'accompagne d'une dispersion totale de sa phase. Cette action en retour est utilisee pour geler la croissance coherente du champ par effet Zenon quantique.
Les postulats de la mesure, définissant une mesure Quantique Non Destructive (QND), précisent que la perturbation minimale sur un objet mesuré est une projection de son état. Les appareils de mesure habituellement utilisés se situent largement au-delà de cette limite minimale. Les photodétecteurs usuels en particulier absorbent, donc détruisent, les photons qu'ils détectent. Dans notre expérience d'électrodynamique quantique en cavité, des atomes de Rydberg circulaires et des photons micro-onde confinés dans une cavité supraconductrice interagissent dans le régime de couplage fort. A l'issue de l'interaction les deux systèmes sont intriqués: chacun d'eux emporte une information sur l'autre. Dans le cas désaccordé, l'effet de l'interaction est un simple déplacement d'énergie des niveaux atomiques, résultant en un déphasage du dipôle proportionnel au nombre de photons, mesurable par interférométrie de Ramsey. Les atomes délivrent donc une information sur le nombre de photons présents dans le champ sans l'avoir modifié. Selon ce principe, nous avons pu grâce au long temps de vie de notre cavité réaliser une mesure QND répétée du nombre de photons. L'évolution du nombre de photons en présence de relaxation révèle alors des sauts brusques, appelés sauts quantiques. Notre expérience a permis la première observation de ce comportement pour la lumière. En décrivant à l'aide de la loi de Bayes l'information délivrée par chaque détection atomique, nous avons pu suivre la projection progressive d'un état cohérent vers des états de Fock contenant jusqu'à sept photons. L'analyse statistique de nos résultats fournit une très claire illustration des postulats de la mesure quantique.
Nous étudions expérimentalement l’évolution d’états nombre du champ micro-onde contenu dans une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Pour sonder le champ, nous envoyons un par un des atomes de Rydberg circulaires qui interagissent de manière dispersive avec le mode du champ. Grâce à un interféromètre atomique de Ramsey, nous mesurons le nombre de photons n de façon non-destructive. L’estimation usuelle de l’état du champ à l’instant t est issue de l’analyse des résultats de mesure obtenus avant t. Dans ce manuscrit, nous présentons la méthode de l’« état passé » qui utilise l’ensemble complet des mesures des sondes avant et après t. L’état passé du champ est une meilleure estimation de l’état réel que ne l’est la matrice densité. La quasi absence de bruit sur les trajectoires quantiques individuelles du champ permet la résolution efficace, à posteriori, des sauts quantiques. De plus, l’état passé permet d’aller au-delà la limite principale de notre mesure QND liée à la périodicité de la mesure interférométrique. Nous pouvons désormais observer des états de Fock avec n > 8, inaccessibles par la méthode d’analyse habituelle, et nous mesurons leurs taux de relaxation.
Une mesure adaptative vise à optimiser l'acquisition d'information sur un système à l'aide d'une boucle de rétroaction sur l'appareil de mesure. Dans notre dispositif d'électrodynamique en cavité, nous avons réalisé une mesure adaptative sur un système quantique, le champ micro-onde piégé dans une cavité supraconductrice de très grande finesse. Des atomes de Rydberg circulaires, interagissant dispersivement avec le champ, réalisent une série de mesures dites "faibles", aboutissant à la mesure quantique non destructive du nombre de photons dans le mode. La prise en compte des résultats des mesures successives, de l'action en retour sur le système, et de l'ensemble des imperfections expérimentales, permet à un ordinateur de contrôle d'effectuer une estimation en temps réel de l'état du champ. La phase de l'interféromètre de Ramsey qui définit la mesure réalisée sur les atomes est alors optimisée afin d'extraire un maximum d'information des détections ultérieures. Nous montrons que préparation d'états de Fock est nettement accélérée avec la méthode adaptative, par rapport à un protocole passif utilisant une alternance prédéfinie des phases de mesure. Cette réduction du temps de mesure est d'un grand intérêt en présence de décohérence, et pourrait par exemple être exploitée dans des protocoles de rétroaction quantique existants, où la rapidité de l'estimation d'état est cruciale.
Notre dispositif d'électrodynamique quantique en cavité permet de faire interagir dans le régime de couplage fort deux systèmes simples et parfaitement contrôlés : des atomes à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique. Des miroirs supraconducteurs permettent de stocker le champ électromagnétique micro-onde dans une cavité pendant plus d'un dixième de seconde. Afin de sonder et de manipuler le champ piégé, nous utilisons des atomes de Rubidium excités dans les états de Rydberg circulaires. Les atomes interagissent un à un avec la cavité dans le régime dispersif. Ils se comportent alors comme de petites horloges dont la fréquence est affectée par les photons piégés grâce au phénomène de déplacement lumineux. Les petites modifications de la phase atomique après la traversée du mode sont mesurées par interférométrie de Ramsey, permettant de compter le nombre de photons piégés. En adaptant légèrement la méthode, on parvient à reconstruire complètement la matrice densité du champ piégé. Cette technique a été appliquée à différents états non-classiques du champ : des états de Fock, dont le nombre de photons est parfaitement déterminé, et des états chat de Schrödinger. Ces derniers sont formés de la superposition quantique de deux champs classiques de phases différentes. En répétant la procédure de reconstruction pour plusieurs délais successifs après la préparation, on obtient un film image par image de l'évolution temporelle de l'état. L'étude de l'évolution de l'état chat de Schrödinger sous l'effet de la décohérence apporte un éclairage intéressant sur le problème de la mesure en mécanique quantique et la frontière entre les mondes classique et quantique.
Une transition entre deux niveaux voisins d'un atome de Rydberg et une cavité micro-onde de très haut facteur de qualité constituent un excellent outil pour la recherche sur les interactions matière- rayonnement au niveau le plus fondamental. La simplicité du système (deux niveaux atomiques couplés à un seul mode du champ) permet un traitement analytique complet de la plupart des phénomènes. Dans ce mémoire nous étudions les effets dispersifs de l'interaction non-résonnante entre atomes et cavité. Nous avons mesuré la variation linéaire des déplacements des niveaux d'énergie atomiques avec le nombre moyen de photons dans la cavité. Des déplacements dus à une intensité moyenne inférieure au photon unique ont été observés. En l'absence de champ injecté, il a été possible de mesurer le déplacement résiduel d'un des deux niveaux de la transition atomique: un déplacement de Lamb dû à un seul mode du champ. Ces déplacements d'énergie sont mesurés de façon sensible par une méthode interférométrique: la technique des champs oscillants séparés de Ramsey. Des expériences futures, dans une situation de très faible relaxation du champ, sont proposées. Le caractère quantique du champ sera alors dominant et il sera possible de réaliser une mesure nondestructive du nombre de photons: le caractère non-résonnant de l'interaction assure que les atomes ne peuvent ni absorber ni émettre des photons dans la cavité. Les expériences réalisées démontrent la sensibilité de l'appareil et ouvrent la voie à ces mesures non-destructives ainsi qu'à l'étude de systèmes "mésoscopiques" (états "chat de Schrödinger" du champ), à la "frontière" entre les mondes classique et quantique.
La rétroaction quantique est un outil prometteur pour la préparation et la protection d un état quantique. Elle entraîne un système quantique vers un état cible par l action répétée d une boucle de sonde-contrôlleur-actionneur. Néanmoins, sa réalisation expérimentale est très difficile, car elle doit surmonter une difficulté fondamentale: le processus de mesure modifie inévitablement et de façon aléatoire par une action en retour le système à contrôler. Nous avons réalisé un protocole de rétroaction quantique continue dans le cadre de l électrodynamique quantique en cavité. Le système à contrôler est un mode de champ électromagnétique piégé dans une cavité Fabry-Pérot micro-onde de très haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires interagissant avec le champ dispersivement servent de sondes. Ils effectuent des mesures quantiques non destructives du nombre de photons. Étant donnés les résultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections expérimentales, un ordinateur de contrôle estime en temps réel l état du champ. Il commande ensuite la préparation des atomes de Rydberg circulaires à résonance pour absorber ou émettre des photons dans le but de stabiliser le champ autour de l états de Fock cible. De cette façon, nous avons réussi à préparer à la demande et à protéger des états de Fock contenant 1 à 7 photons