Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.
Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui cherche à tirer parti des lois de la mécanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence et refroidis par laser. Une étude théorique a permis de proposer un protocole original d'échange d'état intriqués sur de longues distances, utilisant des ions piégés. L'étude de la miniaturisation des dispositifs de piégeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la compréhension de l'effet des défauts des électrodes sur un ion piégé : cette thèse propose un modèle analytique original permettant de calculer la loi d'échelle de l'effet des bruits électriques avec la taille du piège. Ce modèle servira à optimiser le protocole de fabrication de pièges miniatures, dont les premiers échantillons ont été réalisés et sont en cours de test sur un dispositif expérimental dédié (enceinte à vide, électronique de contrôle et sources laser de refroidissement). Les premiers résultats prometteurs ont permis de démontrer le piégeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piège de Paul linéaire macroscopique.
Cette these s'inscrit dans le domaine general de l'information quantique, qui cherche a tirer parti des lois de la mecanique quantique pour proposer des protocoles de traitement de l'information originaux. Ce travail se focalise sur l'un des systemes les plus prometteurs en terme d'information quantique : les ions uniques confines dans des pieges radio-frequence et refroidis par laser. Une etude theorique a permis de proposer un protocole original d'echange d'etats intriques sur de longues distances, utilisant des ions pieges. L'etude de la miniaturisation des dispositifs de piegeage, permettant d'envisager la construction de futurs ordinateurs quantiques, passe par la comprehension de l'effet des defauts des electrodes sur un ion piege : cette these propose un modele analytique original permettant de calculer la loi d'echelle de l'effet des bruits electriques avec la taille du piege. Ce modele servira a optimiser le protocole de fabrication de pieges miniatures, dont les premiers echantillons ont ete realises et sont en cours de test sur un dispositif experimental dedie (enceinte a vide, electronique de controle et sources laser de refroidissement). Les premiers resultats prometteurs ont permis de demontrer le piegeage et le refroidissement d'ion uniques de Strontium refroidis par laser, dans un piege de Paul lineaire macroscopique.
Cette thèse s'inscrit dans le domaine général de l'information quantique, qui propose de réaliser des protocoles de traitement de l'information en utilisant les lois de la mécanique quantique. Ce travail se focalise sur l'un des systèmes les plus prometteurs : les ions uniques confinés dans des pièges radio-fréquence (pièges de Paul) et refroidis par laser. Le but de cette thèse est de mettre en places les outils (systèmes de mesure et échantillons) permettant de caractériser le « chauffage anormal », phénomène à se jour non totalement compris, limitant la cohérence de ions piégés dans des pièges de Paul linéaires planaires.Après une introduction sur l'information quantique, les principes de piégeage et de refroidissement sont expliqués. Vient ensuite une description des améliorations effectuées sur un système expérimental de piégeage et de refroidissement d'ions. La modélisation des champs électriques de piégeage permettant de contrôler les pièges est présentée. Une première réalisation de piégeage sur un piège de Paul linéaire planaire est décrite. Celle-ci à permis l'obtention de cristaux de Coulomb planaires de grandes dimension (N>150). Le protocole de réalisation de pièges de Paul linéaires planaire de taille micro-métriques, fabriqués en salle blanche, est décrit. Les résultats du piégeage d'ions sur de tels micro-pièges sont présentés. Cette dernière partie présente des premiers résultats de l'équipe concernant le chauffage anormal, utilisant la technique dite du « Doppler recoiling ».
Le mémoire présenté ici reprend une partie de ma contribution aux travaux de l'équipe Confinement d'Ions et Manipulation Laser du laboratoire PIIM, que j'ai rejoint en 2000. Cette équipe inscrit ses recherches autour du confinement d'ions en piège de Paul et de leur interaction avec des lasers. Le projet historique de l'équipe porte sur l'utilisation d'un ion unique de calcium refroidi par laser pour la métrologie des fréquences optiques. L'aboutissement de ce projet implique de relever de nombreux défis techniques concernant la stabilisation en fréquences des lasers et leur utilisation pour le contrôle de l'état interne et externe d'un ion. C'est plutôt à cette deuxième facette que mon travail s'adresse, autour du contrôle de l'état quantique d'un ion unique piégé, par des protocoles à un, deux ou trois photons, cohérents ou non. Par ailleurs, un nouveau projet expérimental est en préparation depuis plus d'un an et concerne le confinement de grands échantillons, refroidis par laser. L'originalité du projet repose sur l'utilisation d'un piège linéaire double, comportant une partie quadrupolaire et une partie multipolaire. Cette dualité permettra de comparer le comportement collectif d'un ensemble d'ions, comme les transitions de phase, en fonction du profil du potentiel de confinement. De plus, la mise en série des deux pièges de symétrie différente permet aussi de tester des protocoles de transport optimal pour transférer les ions d'un piège à l'autre, avec un minimum de chauffage. Ce rapport est organisé comme suit. Sont présentés dans un premier temps les résultats originaux concernant le refroidissement laser d'ions piégés et les performances attendues pour une horloge optique basée sur un ion unique de calcium. Différentes méthodes numériques uti\-li\-sées pour prendre en compte le mouvement des ions dans leur interaction avec un ou des lasers y sont introduites. Le chapitre suivant est consacré à des phénomènes cohérents à deux et trois photons et à la perte de cohérence induite par le mouvement des ions. L'influence du mouvement sur la cohérence de l'état interne construit par l'interaction avec deux lasers permet de proposer une méthode originale pour caractériser le mouvement d'un ion unique. Un phénomène de piégeage cohérent de population observable dans l'ion calcium est démontré et son exploitation pour un étalon de fréquence THz est proposée. Dans le dernier chapitre sont abordées les problématiques liées au confinement de larges échantillons (pouvant atteindre 107 ions) et leur couplage avec des lasers. Les lois d'échelles régissant l'équilibre thermodynamique et la dynamique de grands nuages sont analysées, en vue de la conception d'une nouvelle expérience, dédiée à l'étude des phénomènes collectifs dans de larges échantillons refroidis. Un modèle de champ moyen, dit {\it plasma non neutre} est utilisé pour déduire le comportement d'un nuage à l'équilibre thermodynamique et son profil de densité. Dans la limite d'un petit nombre d'ions piégés, les simulations par dynamique moléculaire nous permettent d'étudier le refroidissement des ions et leur organisation à basse température. Ceci nous permet de proposer l'exploitation de la structure en anneau formée par quelques dizaines d'ions en multipole, pour un étalon de fréquence optique d'un nouveau type. Chaque chapitre comporte une introduction générale au sujet abordé et reprend, en les commentant, les articles publiés concernant ce sujet, quand ceux-ci concernent des travaux personnels. Ce mémoire s'achève en abordant des perpectives sur les travaux à mener dans les prochaines années.
Le domaine de l'information quantique tire partie des lois de la mécanique quantique pour élaborer des protocoles de traitement de l'information originaux. Des réseaux qui transportent ce type d'information ont déjà été démontrés mais leur portée est cependant limitée à une centaine de kilomètres à cause des pertes en ligne. Pour franchir cette limite l'élément clef à développer est une mémoire quantique, c'est à dire un milieu atomique capable de stocker un état quantique et dont les performances reposent conjointement sur un excellent couplage avec la lumière (pour les phases d'écriture ou de lecture) et un temps de cohérence important (pour la phase de stockage). Les ions piégés constituent un candidat intéressant pour l'implémentation d'une mémoire quantique, notamment car ils peuvent présenter d'excellentes propriétés d'isolation par rapport à leur environnement. La difficulté à réaliser une mémoire quantique avec des ions piégés tient en particulier à l'obtention d'un couplage important entre l'ensemble d'ions et la lumière, c'est à dire l'obtention d'un nuage atomique le plus dense et froid possible. Durant le travail de thèse, nous avons développé un ensemble expérimental capable de confiner, refroidir et observer plusieurs millions d'ions. Une méthode originale de chargement du piège fondée sur l'absorption simultanée de deux photons a été développée, nous permettant de limiter l'énergie initiale d'un ion et la pollution de l'environnement d'un tel nuage. Un piège de Paul linéaire de dimensions centimétriques a été dessiné et fabriqué au laboratoire pour confiner les ions et faciliter le régime de très faible température. En utilisant une technique de refroidissement laser, nous avons atteint ce régime dans lequel les ions adoptent une structure spatiale périodique, le cristal de Wigner. Cette structure a été observée dans des chaînes contenant quelques ions et dans des nuages dont la population dépasse le million. Les paramètres pertinents qui gouvernent la densité et la stabilité de ces cristaux ont été identifiés. Ces travaux sont une étape très encourageante pour l'obtention d'un couplage important entre les ions et la lumière, et la mise en oeuvre d'un protocole de mémoire quantique.
Cette thèse étudie une nouvelle configuration de piège radiofréquence linéairemultipolaire qui peut avoir des applications dans le développement des horlogesmicro-onde à ions, avantageuses pour leur stabilité à long terme, ou la génération destructures géométriques contrôlées pour les simulations quantiques. L’équipe CIML aconstruit un piège double dont la partie quadrupolaire est destinée à la création desions et à leur spectroscopie laser et dont la partie octupolaire sert à évaluer les facteurslimitant la stabilité des horloges micro-onde à ions. Les premières observations enoctupole ont mis en évidence la grande sensibilité du potentiel de confinement à lasymétrie de la géométrie, et la formation de minima locaux de potentiel responsablesd’une organisation non contrôlée des ions dans le piège. Cette thèse présente la miseen œuvre expérimentale du dispositif électronique développé pour compenser desdéfauts géométriques, par l’application de tensions radiofréquences différentes surchaque électrode du piège octupolaire. Pour cela, le protocole de transport des ions,du quadrupole vers l’octupole, a été adapté à la nouvelle géométrie du piège. Ensuite,nous avons observé l’organisation des ions refroidis par laser dans un octupole noncompensé avant d’exploiter le dispositif de compensation pour façonner un potentielquasi-quadrupolaire qui nous a permis d’estimer le nombre d’ions en octupole, quiatteint 1500. Ce dispositif est aussi utilisé pour créer un potentiel de confinement à lamorphologie contrôlée dont le diagnostic est basé sur les images de la fluorescencedes ions refroidis par laser, pour différentes températures des ions. Bien que nousn’ayons pas pu démontrer la compensation des défauts, les résultats montrent qu’ilest possible de créer et de manipuler de manière contrôlée les minima locaux depotentiel, ce qui pourra fournir une ressource future pour l’information quantique.
La plateforme basée sur les ions piégés refroidis par laser est parmi les meilleurs candidats pour le développement de l’informatique quantique future. Cette situation a engendré un grand effort de recherche mondiale visant la mise à l’échelle et l’intégration des dispositifs de piégeage qui permettent l’exploitation d’ions uniques comme support du traitement de l’information. Dans ce cadre, nous développons au laboratoire des pièges à ions atomiques miniatures : il s’agit de pièges de de Paul linéaires surfaciques fabriqués en collaboration avec l’Université Nationale de Technologie et l’Institut de Microélectronique de Singapour. Une originalité du processus de fabrication est donnée par la prise de contacts électriques des électrodes du piège à travers le substrat (TSV : through silicon vias). Ainsi, les fils d’amené des tensions électriques (« wire-bondings ») habituellement directement soudés sur les électrodes peuvent être déportés ou totalement éliminés [1]. Cela ouvre la voie à des architectures complexes, en particulier à des pièges annulaires à symétrie cylindrique qui ne peuvent pas être réalisés avec de connexions surfacique qui briseraient la symétrie recherchée. Le piégeage et le refroidissement laser d’ions dans des pièges de Paul linéaires à symétrie cylindrique (appelés « ion storage rings » dans leur version macroscopique, diamètres d’une centaine de mm) a été démontré dans des travaux pionniers à Garching [2] et ensuite étendu dans des pièges microfabriqués (technologie multicouche) à Sandia National Labs (diamètre 2,5 mm) [3] et à Berkeley (diamètre 95 µm) [4]. Ces dispositifs sont intéressants car ils permettent, en l’absence de défauts, d’obtenir une symétrie de translation azimutale pour les ions piégés et donc des conditions au bord périodiques pour le système d’ions froids confiné (cristal de Coulomb). Ils sont aussi les candidats pour l’observation et la manipulation de l’état quantique de rotation des ensembles d’ions piégés [4]. Nous présenterons nos derniers résultats concernant les performances des pièges annulaires surfaciques TSV (diamètres entre 150 et 210 µm) fabriqués à Singapour. Nous avons en particulier chargé ces pièges avec des ions 88Sr+ (entre un ion unique et quelques centaines d’ions). Le refroidissement laser et l’acquisition d’images nous permettent d’éstimer les défauts du potentiel de piégeage par rapport à la symétrie azimutale parfaite. L’application de tensions continues sur un jeu d’électrodes segmentées donne ensuite la possibilité de compenser en grande partie ces défauts, qui restent cependant le problème majeur à résoudre pour accéder à un mouvement libre sub-mK.