Les états de Rydberg des atomes alcalins sont fortement couplés aux modes de grande longueur d'onde du champ électromagnétique, résonnant avec des transitions connectant des niveaux excités voisins. Lorsqu'on prépare de tels états dans une cavité microonde résonnante de grande surtension, on peut observer et étudier en détail un grand nombre d'effets d'électrodynamique quantique nouveaux et intéressants (modification de l'émission spontanée des atomes dans la cavité, effet maser à un seul atome, superradiance de petits ensembles d'atomes dans la cavité...).
Les états de Rydberg des atomes alcalins sont fortement couplés aux modes de grande longueur d'onde du champ électromagnétique, résonnant avec des transitions connectant des niveaux excités voisins. Lorsqu'on prépare de tels états dans une cavité microonde résonnante de grande surtension, on peut observer et étudier en détail un grand nombre d'effets d'électrodynamique quantique nouveaux et intéressants (modification de l'émission spontanée des atomes dans la cavité, effet maser à un seul atome, superradiance de petits ensembles d'atomes dans la cavité...).
Dans le domaine micro-onde, deux niveaux de Rydberg voisins d'un atome alcalin, d'une part, et le champ électromagnétique confiné dans une cavité supraconductrice de très haute surtension, d'autre part, échangent de manière cohérente un quantum d'énergie lorsqu'ils sont à résonance. Une telle situation est conceptuellement la plus simple dans laquelle le couplage matière-rayonnement se manifeste à l'échelle élémentaire. Ce mémoire présente une mise en évidence expérimentale de cette interaction, dans une situation où l'évolution cohérente atome-champ domine les processus dissipatifs. Le couplage atome-champ est d'abord décrit théoriquement (dans un point de vue classique puis quantique), ainsi que des expériences permettant de le mettre en évidence. Ensuite, une expérience de spectroscopie des premiers états excités du système {atome + cavité} est exposée. Elle a permis d'accéder à la fréquence avec laquelle un échantillon de trois atomes et un mode résonnant du champ échangent leur énergie. Enfin, un nouveau montage expérimental est présenté. Il possède une résolution spectrale très élevée grâce à l'utilisation de la technique du champ oscillant séparé de Ramsey, et doit permettre l'observation, dans le domaine micro-onde, du couplage élémentaire entre un seul atome à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique, cette observation pouvant se faire aussi bien spectralement que temporellement. La réalisation d'un montage expérimental aussi sensible, et dans lequel les amortissements de l'atome-et de la cavité sont rendus négligeables, ouvre également la voie à des tests subtils de la Mécanique Quantique (mesures sans démolition, chats de Schrödinger, etc.) mettant en jeu une interaction atome-champ non résonnante.
Nous présentons différentes expériences mettant en jeu des atomes de Rydberg en interaction avec une micro-onde résonnante à l'intérieur d'une cavité, permettant de vérifier différents aspects de la théorie présentée dans l'exposé précédent. Nous décrivons d'abord des expériences d'émission superradiante des états de Rydberg dans la cavité (effet maser transitoire à atomes de Rydberg). L'évolution du système est détectée soit sur les populations par la technique d'ionisation sélective par champ, soit sur le champ micro-onde par détection hétérodyne. Des seuils très bas de l'émission maser, jusqu'à 100 atomes, ont été observés. Nous décrivons ensuite quelques aspects de l'absorption collective de rayonnement par les atomes très excités, en particulier l'observation de la nutation de Rabi sous l'effet d'un faible champ extérieur, l'étude du rendement quantique de notre système considéré comme un compteur de photons millimétriques et enfin la mise en évidence d'aspects inattendus dans l'absorption de rayonnement du corps noir dans la cavité.
Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique.
Ce travail porte sur la description theorique de systemes couples atome-cavite dans les domaines optique et microonde. L'etude est consacree au regime de couplage fort ou a la correlation quantique entre les atomes et le champ electromagnetique. Dans la premiere partie, ce memoire presente la theorie d'un microlaser fonctionnant dans le regime de couplage fort entre milieu actif et mode laser. Les equations de taux tenant compte de l'emission spontanee dans le mode sont obtenues analytiquement, ce qui permet d'identifier l'approximation essentielle dans cette approche usuelle. Ensuite, des solutions approchees aux equations de heisenberg-langevin sont derivees par une nouvelle methode. Les expressions analytiques permettent de definir de facon rigoureuse la notion de laser sans seuil et d'analyser la transition du regime domine par l'emission spontanee au regime ou l'emission stimulee devient preponderante. Enfin, on presente une nouvelle methode pour la simulation numerique efficace des equations operatorielles. Ces modeles sont finalement compares en calculant les caracteristiques (puissance de sortie, largeur de raie) d'un laser a microsphere dopee au neodyme. Dans la deuxieme partie, plusieurs experiences menees sur des atomes de rydberg circulaires et sur une cavite microonde de grande surtension sont abordees. Le couplage fort entre l'atome et le champ donne lieu a des correlations quantiques non separables qui sont a la base des phenomenes inherents a la mecanique quantique. La generation de la superposition des etats macroscopiquement discernables, dits chat de schrodinger, et l'observation de la decoherence sont d'abord considerees. La manipulation coherente des systemes intriques ouvre la voie a des applications diverses de la mecanique quantique dans le traitement de l'information. Dans cette optique, on etudie la realisation d'une porte logique quantique. Enfin, une nouvelle methode est proposee pour engendrer un etat de fock dans la cavite.
La fonction d'onde de deux particules après une interaction mutuelle ne peut pas, en général, être exprimée comme le produit d'états individuels des particules. Pour qu'une collision atomique puisse produire une intrication maximale, il faut cependant des conditions exceptionnelles. Ces conditions sont réunies dans notre dispositif, où l'interaction dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg "à deux niveaux" peut être stimulée par une cavité supraconductrice non-résonnante. En exploitant cet effet, nous avons réalisé des états fortement intriqués dans des collisions binaires avec des paramètres d'impact de l'ordre du millimètre. L'angle de collision peut être varié en modifiant le désaccord atomes-cavité, ce qui nous a permis d'observer l'échange d'énergie réversible et cohérent (oscillation de Rabi) entre deux atomes. Par un choix opportun des valeurs des paramètres, nous avons en particulier réalisé et testé une paire 'EPR' d'atomes. La relative insensibilité de cette méthode d'intrication au facteur de qualité du résonateur rend sa fidélité compatible avec des expériences de violation des inégalités de Bell ainsi qu'avec la manipulation cohérente d'un nombre plus important d'atomes. Nous présentons en outre une nouvelle procédure de fabrication des cavités micro-ondes. Les nouvelles cavités devraient en particulier permettre l'extension des études sur l'intrication aux champs confinés dans deux résonateurs séparés.
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.