Les résultats obtenus dans le précédent article, concernant l'existence de plusieurs types de croisements de niveaux, sont illustrés sur les diagrammes d'énergie d'atomes habillés par des photons de radiofréquence, de polarisations diverses. Une étude détaillée des symétries du système global atome + radiofréquence permet de classer simplement tous les croisements de première espèce et certains croisements de deuxième espèce (liés à des symétries ponctuelles). A partir d'une formulation quantique du théorème de Majorana, on identifie les autres croisements comme étant des croisements de deuxième espèce de tous ordres (croisements de Majorana). On présente enfin une étude expérimentale des propriétés d'une résonance observable au voisinage d'un croisement de Majorana.
Les résultats obtenus dans le précédent article, concernant l'existence de plusieurs types de croisements de niveaux, sont illustrés sur les diagrammes d'énergie d'atomes habillés par des photons de radiofréquence, de polarisations diverses. Une étude détaillée des symétries du système global atome + radiofréquence permet de classer simplement tous les croisements de première espèce et certains croisements de deuxième espèce (liés à des symétries ponctuelles). A partir d'une formulation quantique du théorème de Majorana, on identifie les autres croisements comme étant des croisements de deuxième espèce de tous ordres (croisements de Majorana). On présente enfin une étude expérimentale des propriétés d'une résonance observable au voisinage d'un croisement de Majorana.
La thèse est consacrée au problème fondamental de l'excitation et de la manipulation de systèmes quantiques à spectre d'énergie discret, via des champs lasers externes. Nous examinons le problème semi-classique à deux états quantiques, dépendant du temps, lorsque le champ électromagnétique externe est résonant ou quasi résonant pour deux des nombreux niveaux du système. La thèse est centrée sur la description analytique de l'évolution non adiabatique des systèmes quantiques soumis à une excitation par des configurations de champs avec croisements de niveaux. Dans la présente thèse, nous classifions l’ensemble complet des modèles quantiques à deux états semi-classiques dépendants du temps, qui peuvent être résolus en cinq fonctions de la classe de Heun.Les principaux résultats de la thèse sont :1. Au total, 61 classes infinies de modèles à deux états (i.e. les configurations de champ laser externe) solubles en termes de fonctions de Heun générale et confluentes sont dérivées.2. Dans ces classes infinies, trois sous-modèles originaux avec croisements de niveaux sont identifiés: l'un décrit les croisements infinis de résonance (périodiques), l'autre décrit les croisements de résonance asymétrique avec un temps de processus fini et le dernier décrit les processus de croisements infinis de résonance asymétrique. Le comportement du système quantique à deux états dans ces configurations de champ est analysé de manière exhaustive.3. Les solutions des équations de Heun en termes de fonctions bêta incomplètes, de fonctions hypergéométriques confluentes de Kummer et de fonctions Hermite d'ordre non entier sont construites.4. Des solutions analytiques du problème quantique à deux états sont projetées sur les équations d'onde relativistes et non relativistes : de nouveaux potentiels pour les équations de Schrödinger et de Klein-Gordon sont dérivés et résolus.
La manipulation d’états non-classiques suscite depuis quelques années un engouement important de la part de la communauté scientifique. Que ce soit sur un plan fondamental ou en vue de potentielles applications par exemple dans les domaines de la métrologie, de la communication, ou de l’information quantique, il est essentiel de préparer des systèmes quantiques dans des états non-classiques et de contrôler leur évolution. Le champ de l’électrodynamique quantique en cavité apparaît comme un cadre expérimental idéal pour étudier l’ingénierie de tels états de la lumière. Il repose sur le couplage fort entre un système à deux niveaux d’une part et un mode du champ électromagnétique d’autre part. Cette thèse présente une nouvelle expérience d’électrodynamique quantique en cavité combinant un jet d’atomes lents préparés dans des états de Rydberg dits « circulaires » et le mode électromagnétique d’une cavité supraconductrice. Ce nouveau dispositif permet une augmentation considérable du temps d’interaction entre l’atome et le champ. Nous présentons dans ce manuscrit les premiers résultats expérimentaux qui en découlent. Premièrement, en exploitant le régime d’interaction résonant entre l’atome et le champ nous avons pu générer un état superposé de type chat de Schrödinger que nous avons caractérisé par ses oscillations de Rabi. Deuxièmement, en se plaçant dans le régime d’interaction dispersif, le long temps d’interaction permet de résoudre le spectre des états habillés du système pour des états du champ contenant jusqu’à 8 photons. Cette résolution a alors pu être exploitée afin de générer des états quantiques du champ comme une superposition de 0 et de 2 photons.
Cette these s'interesse a la problematique de l'etude experimentale du transport quantique d'ondes de matiere avec des atomes froids. Ceux-ci etant facilement controlables, ils offrent la possibilite de creer des systemes d'etude ideaux, notamment pour tester des theories de matiere condensee. L'ensemble du systeme experimental utilise pour cela est decrit en detail dans le manuscrit. Il permet de realiser des experiences aussi bien a une dimension qu'a trois dimensions, a partir de l'expansion coherente d'ondes de matieres issues d'un condensat de Bose-Einstein. Nous nous interessons en particulier au probleme du transport quantique dans les milieux desordonnes, qui conduit au phenomene de localisation d'Anderson. Nous rappelons ici les resultats recemment obtenus a une dimension, qui ont permis d'observer directement le phenomene avec des ondes de matiere. Nous presentons ensuite les premieres etapes d'une experience ayant pour objectif l'observation directe de la transition d'Anderson, qui apparait dans les systemes tridimensionnels. Enfin, nous presentons une etude detaillee d'un laser a atomes guides, qui pourrait se reveler etre un outil particulierement adapte a l'etude des phenomenes de transport quantique d'ondes de matiere. Il permet en effet de controler de facon independante l'energie des ondes de matiere extraites, ainsi que le flux atomique a l'origine des interactions. Les limites d'un tel outil, liees a sa generation par une transition radiofrequence, aussi bien qu'a sa propagation dans un guide d'onde, sont donnees.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Modèles quantiques à deux états avec croisements de niveaux décrits par les fonctions de Heun La thèse est consacrée au problème fondamental de l'excitation et de la manipulation de systèmes quantiques à spectre d'énergie discret, via des champs lasers externes. Nous examinons le problème semi-classique à deux états quantiques, dépendant du temps, lorsque le champ électromagnétique externe est résonant ou quasi résonant pour deux des nombreux niveaux du système. La thèse est centrée sur la description analytique de l'évolution non adiabatique des systèmes quantiques soumis à une excitation par des configurations de champs avec croisements de niveaux. Dans la présente thèse, nous classifions l’ensemble complet des modèles quantiques à deux états semi-classiques dépendants du temps, qui peuvent être résolus en cinq fonctions de la classe de Heun.Les principaux résultats de la thèse sont :1. Au total, 61 classes infinies de modèles à deux états (i.e. les configurations de champ laser externe) solubles en termes de fonctions de Heun générale et confluentes sont dérivées.2. Dans ces classes infinies, trois sous-modèles originaux avec croisements de niveaux sont identifiés: l'un décrit les croisements infinis de résonance (périodiques), l'autre décrit les croisements de résonance asymétrique avec un temps de processus fini et le dernier décrit les processus de croisements infinis de résonance asymétrique. Le comportement du système quantique à deux états dans ces configurations de champ est analysé de manière exhaustive.3. Les solutions des équations de Heun en termes de fonctions bêta incomplètes, de fonctions hypergéométriques confluentes de Kummer et de fonctions Hermite d'ordre non entier sont construites.4. Des solutions analytiques du problème quantique à deux états sont projetées sur les équations d'onde relativistes et non relativistes : de nouveaux potentiels pour les équations de Schrödinger et de Klein-Gordon sont dérivés et résolus.
Afin d'implementer des protocoles de communications quantiques, comme cryptographie quantique par exemple, sur des distances superieures a la centaine de kilometres a l'aide de fibres optiques, il est necessaire de developper de nouveaux outils : les repeteurs quantiques. Le principe de fonctionnement de ceux-ci repose sur l'existence de memoires quantiques capable de stocker l'etat de la lumiere et de le reemettre a la demande. L'objectif de cette these est la realisation d'une memoire quantique dans un ensemble d'atomes froids de cesium a l'aide d'un protocole de transparence electromagnetiquement induite (EIT). La premiere etape de ce travail a ete la realisation d'un piege magneto-optique permettant de generer un nuage d'atomes froid de cesium presentant une forte epaisseur optique. La seconde a ete l'etude de la transparence du milieu. Ainsi, dans un systeme energetique en Λ, l'application d'un champ de controle sur la transition adjacente a celle du champ signal permet d'ouvrir une fenetre de transparence. Deux phenomenes peuvent expliquer cette observation : l'EIT qui correspond a des interferences destructives entre les chemins d'excitation et la separation Autler-Townes (ATS) qui implique la separation du niveau excite en deux niveaux habilles. Une etude detaille et quantitative des deux phenomenes a ete realisee. La derniere etape a ete la demonstration du stockage d'un etat coherent en regime de photons uniques avec une efficacite de 24% ainsi que les premiers resultats du stockage d'un bit d'information quantique encode dans le moment orbital angulaire de la lumiere.