\nL'objectif de ce projet est de réaliser une porte logique quantique basée sur l'interaction d'atomes dans deux sites voisins dans un réseau optique très désaccordé. Le principal obstacle rencontré vient du faible taux d'occupation des sites de tels réseaux. Nous proposons ici de mettre en oeuvre un nouveau type de réseaux optiques qui devraient pallier cette limitation. Il s'agit d'un réseau unidimensionnel de pièges annulaires “empilés” avec une période de $\\lambda/2$. L'utilisation d'axicons conduit à une géométrie adaptée des faisceaux et donne le confinement radial dans les anneaux. Le mouvement azimutal peut également être limité par une force auxiliaire. Le bon taux d'occupation est lié au faible nombre de sites remplis à partir du nuage d'atomes froids initial.\n
\nL'objectif de ce projet est de réaliser une porte logique quantique basée sur l'interaction d'atomes dans deux sites voisins dans un réseau optique très désaccordé. Le principal obstacle rencontré vient du faible taux d'occupation des sites de tels réseaux. Nous proposons ici de mettre en oeuvre un nouveau type de réseaux optiques qui devraient pallier cette limitation. Il s'agit d'un réseau unidimensionnel de pièges annulaires “empilés” avec une période de lambda/2. L'utilisation d'axicons conduit à une géométrie adaptée des faisceaux et donne le confinement radial dans les anneaux. Le mouvement azimutal peut également être limité par une force auxiliaire. Le bon taux d'occupation est lié au faible nombre de sites remplis à partir du nuage d'atomes froids initial.\n
Ce travail de these propose une etude experimentale de la dynamique d'atomes de cesium refroidis par laser dans un reseau optique a geometrie annulaire. Notre dispositif pourra a terme etre utilise pour realiser une porte logique quantique, en agissant de facon conditionnelle sur les atomes, permettant ainsi d'envisager la realisation d'un ordinateur quantique avec des atomes froids. Apres avoir rappele les concepts essentiels concernant les ordinateurs quantiques, le refroidissement d'atomes par laser et les reseaux optiques, nous detaillons le principe de la realisation de notre reseau optique de pieges annulaires et son application en tant que porte logique quantique. La realisation experimentale du potentiel lumineux correspondant a partir des sources lasers constitue la majeure partie du travail effectue. En particulier, nous avons etudie, d'abord, la diffraction d'un champ laser par une lentille conique -appelee axicon - pour generer le faisceau annulaire a la base de notre experience. Enfin, nous caracterisons experimentalement la dynamique des atomes froids dans le potentiel annulaire. Des simulations numeriques ont alors ete developpees pour modeliser et interpreter leur comportement.
Ce manuscrit présente les travaux que j'ai effectués au Laboratoire de Physique Théorique durant ma thèse. Ils portent sur l'interaction d'ondes de matière avec des réseaux optiques modulables en temps et en espace. L'utilisation de ces réseaux a permis de contrôler de manière cohérente les propriétés dynamiques d'un gaz d 'atomes ultra-froids. Cette étude théorique a été réalisée en collaboration avec le groupe Atomes Froids du Laboratoire LCAR. Les variations spatiales de l'enveloppe d u réseau créent, localement, des gaps spatiaux créant une cavité de Bragg pour onde de matière, dont nous avons étudié en détail les propriétés et qui a fait l'objet d'une réalisation expérimentale impliquant la propagation d'un condensat de Bose-Einstein de rubidium 85 dans un guide d'onde. Nous avons également étudié la propagation d'un nuage d 'atomes dans un réseau bichromatique qui permet de réaliser un simulateur quantique du modèle de Harper. Le spectre du hamiltonien de ce système a une dimension fractale pouvant être caractérisée nu mériquement. Nous avons montré, par ailleurs, qu'il est possible d'exploiter les interactions inter-atomiques répulsives d'un condensat de Bose-Einstein afin d'amplifier les corrélations position-vitesse lors de sa pro pagation dans un guide. Notre étude montre qu'une mesure des grandeurs dynamiques locales du nuage atomique permet de sonder expérimentalement les résonances d'un potentiel optique jusqu'à l'échelle du picoKelvin. Enfin, un nuage d'atomes en interaction attractive admet une solution d'équilibre : le soliton. Nous avons démontré, numériquement, que celui-ci peut être utilisé pour sonder des états liés d'un poten tiel de taille finie, en peuplant ces états lors d'une expérience de diffusion comme, par exemple, des états de surface.
En attendant de parvenir à construire un ordinateur quantique universel, les physiciens se sont attelés à développer des simulateurs quantiques : un système capable d'émuler des modèles de divers domaines de la physique sur lequel l'utilisateur possède un grand degré de contrôle. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur un tel simulateur réalisé à l'aide condensats de Bose-Einstein manipulés par un réseau optique unidimensionnel. Dans ce manuscrit, nous décrivons plusieurs travaux expérimentaux réalisés en proche collaboration avec des physiciens théoriciens. Le premier d'entre eux porte sur le contrôle d'halos de diffusion. Nous proposons un nouveau protocole de contrôle de ces halos portant sur un décalage abrupt de la phase du réseau optique. Cette première étude soulève une nouvelle question : peut-on, par un variation adéquate de la phase du réseau optique, façonner la distribution en impulsion du condensat ? Cette question est un problème d'optimisation bien posé auquel la théorie du contrôle optimal peut répondre. Grâce à ce formalisme, nous sommes en mesure de contrôler l'état quantique du condensat dans le réseau optique. Ces nouveaux types de protocoles peuvent permettre de préparer des états initiaux permettant d'observer de nouveaux effets physiques. Un de ces effets est le transport d'un nuage d'atomes dans un paysage classiquement chaotique. Nous avons modulé périodiquement l'amplitude du réseau optique de telle manière à générer un espace des phases mixtes dans lequel nous avons mis en évidence un effet tunnel dit "assisté par le chaos".
L'objectif de ce travail de these est la realisation de nouvelles sources d'atomes froids susceptibles d'etre employees pour la conception d'horloges atomiques stables et peu volumineuses. Il exploite les procedes de manipulation d'atomes par laser issus de recherches en physique atomique. Cette these presente les experiences de refroidissement radiatif d'atomes de cesium realisees au laboratoire de l'horloge atomique entre 1993 et 1996. Dans une premiere partie, le principe du refroidissement et du piegeage radiatifs d'atomes neutres est applique a la realisation d'un piege magneto-optique tridimensionnel en cellule (pmo 3d). Cette premiere experience nous a permis de mettre au point les laser necessaires a nos experiences futures. Elle a servi de base de travail pour la conception d'autres structures possibles de refroidissement d'atomes a partir d'une vapeur atomique. L'utilisation d'une configuration particuliere de piegeage (le piege magneto-optique bidimensionnel : pmo 2d) a ete imaginee pour servir de source d'atomes froids, car elle laisse une possibilite de fuite des atomes dans une direction privilegiee. La seconde partie de ce memoire decrit sa conception et presente quelques mesures faites sur cette forme particuliere de piege magneto-optique. A partir de ce piege anisotrope, nous avons entrepris l'extraction d'atomes pieges et refroidis pour realiser un jet continu d'atomes froids, expose en troisieme partie. Trois methodes ont ete envisagees pour le lancement des atomes. La premiere consiste a imposer un desequilibre d'intensite entre les faisceaux de refroidissement dans la direction du lancement souhaite. La seconde reside dans un decalage de frequence entre ces faisceaux, afin de realiser une melasse mouvante. Enfin, on peut ajouter un champ magnetique statique dans cette meme direction, afin de creer un train magneto-optique. Nous presentons les premiers resultats obtenus sur cette experience. Parallelement a cette etude, une autre voie de recherche a ete initiee au laboratoire, qui consiste a refroidir l'ensemble des atomes contenus dans une cellule de verre grace a l'utilisation de lumiere isotrope. La derniere partie est consacree au refroidissement en lumiere isotrope, qui propose une alternative interessante a la melasse optique traditionnelle.
Les atomes neutres piégés sont des candidats potentiels pour l'implémentation de portes logiques quantiques. Dans ce contexte, cette étude porte sur la réalisation d'un piège dipolaire optique de si petite taille qu'il ne puisse contenir qu'un atome unique. Pour cela, il est nécessaire de focaliser très fortement un laser à l'endroit où l'on désire capturer les atomes. L'expérience s'articule donc autour d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique, entièrement conçu et réalisé au laboratoire. Cette optique est utilisée pour faire focaliser un laser au centre d'un piège magnéto-optique, réservoir d'atomes froids alimentant le piège dipolaire ainsi créé. Le dispositif d'observation des atomes piégés est basé sur le même objectif, qui collecte, avec une grande efficacité, la fluorescence des atomes piégés et en fait l'image sur une caméra CCD ou une photodiode à avalanche. La résolution spatiale du dispositif utilisant la caméra permet d'obtenir une image des atomes capturés, alors que l'on utilise la rapidité de la photodiode à avalanche pour les études de la dynamique du piège avec une bonne résolution temporelle. Après une description détaillée de ce dispositif expérimental, nous montrons qu'il est possible de réaliser des micro-pièges dipolaires optiques, de quelques microns cube et contenant une dizaine d'atomes. L'étude de la dynamique de chargement et de la durée de vie de ces pièges révèle également la présence de processus de collisions à deux corps. Nous montrons ensuite qu'en diminuant le taux de chargement il est possible d'observer, en temps réel, un atome unique piégé pendant quelques secondes. Dans ce régime, un processus de "blocage collisionnel" limite ce nombre d'atome à un. Pour finir, nous décrirons la mise en place d'un double piège dipolaire, dans lequel on peut piéger un atome unique dans chaque site. Ce dispositif ouvre la voie vers l'étude de l'interaction entre atomes piégés individuellement.
Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale d'atomes piégés et refroidis dans plusieurs types de structures lumineuses. Nous avons utilisé pour caractériser ces milieux des techniques de temps de vol, d'imagerie directe du nuage atomique et de spectroscopie pompe-sonde, afin d'obtenir des informations sur la température et la diffusion spatiale des atomes ainsi que sur leur mouvement dans les puits de potentiel. Nous avons d'abord étudié la dynamique d'atomes de césium dans des réseaux optiques tri-dimensionnels brillants en présence d'un champ magnétique, et nous avons en particulier montré que les réseaux optiques fonctionnant en régime sautant donnent lieu à un refroidissement et un piégeage efficaces, et qu'un mécanisme de rétrécissement par le mouvement y conduit à des raies vibrationnelles étroites sur les spectres de transmission pompe-sonde. Avec des atomes de césium, nous avons également créé et caractérisé un réseau optique tri-dimensionnel brillant obtenu avec seulement deux faisceaux laser grâce à l'effet Talbot, puis un milieu aléatoire engendré à partir d'un champ de tavelures. Enfin, nous avons étudié un ``moteur brownien'' pour des atomes de (87)Rb dans un réseau gris asymétrique. Les résultats de l'étude expérimentale sont en bon accord qualitatif avec des simulations numériques Monte-Carlo semi-classiques.