L’objectif de cette thèse est l’étude des différents aspects de l’interaction à quelques corps entre des atomes de Rydberg froids. Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une cotutelle entre l’Université Paris-Saclay et l’Université de Pise en travaillant sur deux différents montages expérimentaux sur des atomes de Rydberg froids : respectivement sur le Cs au Laboratoire Aimé Cotton et sur le Rb au département de Physique de l’Université de Pise. Au Laboratoire Aimé Cotton nous avons démontré l’existence des nouvelles interactions à quelques corps dans un gas gelé d’atomes de Rydberg. Ces nouvelles résonances sont la généralisation des résonances de Förster bien connues dans le domaine des atomes de Rydberg. Ces résonances agissent sur les degrés de liberté interne des atomes de Rydberg et ont l’effet d’un transfert résonant d’énergie et de population comme dans le cas des FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Comme dans le cas de la résonance de Förster à deux corps, les résonances FRET à trois corps sont accordées à la résonance avec un champ électrique externe et peuvent être observées pour différents nombres quantique principaux. Les effets à trois corps sont observés en absence de tout effet à deux corps et sont qualifiés de Borroméens. La présence d’un champ externe peut générer d’autres résonances entre atomes de Rydberg qui sont interdites en absence de champ électrique. Ces résonances, qu’on peut qualifier des résonances quasi-interdites, sont dues à un couplage dipole-dipole de type Förster. Nous avons identifié toutes ces résonances liées au couplage entre les niveaux de multiplicité de n différents.Dans le montage expérimental à Pise on a étudié les effets mécaniques liés à la répulsion van der Waals entre atomes de Rydberg. Nous avons étudié l’expansion due à l’interaction van der Waals dans une chaîne 1D des atomes de Rydberg de Rb qui ont étés excités avec une excitation laser hors résonance. La comparaison entre les différents désaccords de l’excitation laser démontre le rôle central joué par l’interaction van der Waals.
L’objectif de cette thèse est l’étude des différents aspects de l’interaction à quelques corps entre des atomes de Rydberg froids. Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une cotutelle entre l’Université Paris-Saclay et l’Université de Pise en travaillant sur deux différents montages expérimentaux sur des atomes de Rydberg froids : respectivement sur le Cs au Laboratoire Aimé Cotton et sur le Rb au département de Physique de l’Université de Pise. Au Laboratoire Aimé Cotton nous avons démontré l’existence des nouvelles interactions à quelques corps dans un gas gelé d’atomes de Rydberg. Ces nouvelles résonances sont la généralisation des résonances de Förster bien connues dans le domaine des atomes de Rydberg. Ces résonances agissent sur les degrés de liberté interne des atomes de Rydberg et ont l’effet d’un transfert résonant d’énergie et de population comme dans le cas des FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Comme dans le cas de la résonance de Förster à deux corps, les résonances FRET à trois corps sont accordées à la résonance avec un champ électrique externe et peuvent être observées pour différents nombres quantique principaux. Les effets à trois corps sont observés en absence de tout effet à deux corps et sont qualifiés de Borroméens. La présence d’un champ externe peut générer d’autres résonances entre atomes de Rydberg qui sont interdites en absence de champ électrique. Ces résonances, qu’on peut qualifier des résonances quasi-interdites, sont dues à un couplage dipole-dipole de type Förster. Nous avons identifié toutes ces résonances liées au couplage entre les niveaux de multiplicité de n différents.Dans le montage expérimental à Pise on a étudié les effets mécaniques liés à la répulsion van der Waals entre atomes de Rydberg. Nous avons étudié l’expansion due à l’interaction van der Waals dans une chaîne 1D des atomes de Rydberg de Rb qui ont étés excités avec une excitation laser hors résonance. La comparaison entre les différents désaccords de l’excitation laser démontre le rôle central joué par l’interaction van der Waals.
Interaction à quelques corps entre atomes de Rydberg L’objectif de cette thèse est l’étude des différents aspects de l’interaction à quelques corps entre des atomes de Rydberg froids. Cette thèse a été réalisée dans le cadre d’une cotutelle entre l’Université Paris-Saclay et l’Université de Pise en travaillant sur deux différents montages expérimentaux sur des atomes de Rydberg froids : respectivement sur le Cs au Laboratoire Aimé Cotton et sur le Rb au département de Physique de l’Université de Pise. Au Laboratoire Aimé Cotton nous avons démontré l’existence des nouvelles interactions à quelques corps dans un gas gelé d’atomes de Rydberg. Ces nouvelles résonances sont la généralisation des résonances de Förster bien connues dans le domaine des atomes de Rydberg. Ces résonances agissent sur les degrés de liberté interne des atomes de Rydberg et ont l’effet d’un transfert résonant d’énergie et de population comme dans le cas des FRET (Fluorescence Resonance Energy Transfer). Comme dans le cas de la résonance de Förster à deux corps, les résonances FRET à trois corps sont accordées à la résonance avec un champ électrique externe et peuvent être observées pour différents nombres quantique principaux. Les effets à trois corps sont observés en absence de tout effet à deux corps et sont qualifiés de Borroméens. La présence d’un champ externe peut générer d’autres résonances entre atomes de Rydberg qui sont interdites en absence de champ électrique. Ces résonances, qu’on peut qualifier des résonances quasi-interdites, sont dues à un couplage dipole-dipole de type Förster. Nous avons identifié toutes ces résonances liées au couplage entre les niveaux de multiplicité de n différents.Dans le montage expérimental à Pise on a étudié les effets mécaniques liés à la répulsion van der Waals entre atomes de Rydberg. Nous avons étudié l’expansion due à l’interaction van der Waals dans une chaîne 1D des atomes de Rydberg de Rb qui ont étés excités avec une excitation laser hors résonance. La comparaison entre les différents désaccords de l’excitation laser démontre le rôle central joué par l’interaction van der Waals.
Résonances de Förster à quelques corps dans les atomes de Rydberg pour la mise en oeuvre de l'informatique quantique L'application des résonances de Förster à plusieurs corps est étudiée pour réaliser des circuits de portes quantiques multi-qbits. Deux nouveaux types de transitions borroméennes à trois atomes utilisant un atome relais ont été proposées et étudiées numériquement. En particulier, une résonance de Förster à trois atomes non isolée et contrôlée par effet Stark entre des états S et P de niveaux élevés n = 80, 81, 82 avec des atomes de Rb isolés dans des pièges optiques a été modélisée. Une résonance de Förster isolée à trois atomes a également été démontrée pour les états n = 70, 71 des atomes Rb. Les résonances ont été étudiées dans une configuration spatiale fixe, ce qui nous a permis de démontrer l'évolution cohérente de la population et de la phase des états collectifs impliqués. Des schémas de portes de Toffoli à trois qubits ont été développés et modélisés numériquement sur la base des résonances démontrées dans des ensembles à trois atomes. En outre, un schéma généralisé de porte de phase doublement contrôlée CCPHASE a été développé sur la base de la résonance de Förster à trois corps induite par radiofréquence. De plus, un schéma de porte quantique similaire a été proposé sur la base de la résonance de Förster induite par radiofréquence à deux atomes avec un déplacement contrôlé par interaction avec le troisième. Les performances rapides et la grande fidélité des schémas proposés, ainsi que leur robustesse potentielle aux erreurs, nous permettent d'espérer le succès d'une réalisation expérimentale prochainement.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale performante pour la simulation quantique de problèmes à N corps, comme le confirment les récents progrès dans le domaine. Lors de cette thèse, nous avons d’abord montré la production de matrices de pinces optiques, toutes chargées par des atomes uniques dans leur état fondamental. Notre technique de piégeage a été étendue au cas des atomes de Rydberg. Ces derniers sont chassés des zones de haute intensité par la force pondéromotrice. Par conséquent, nous avons créé par holographie des zones sombres entourés de lumière, pour les confiner. Nous avons aussi étudié les corrélations entre spins dans le cas des Hamiltoniens d’Ising ou XY, en utilisant le régime d’interaction de van der Waals ou dipolaire résonnant. Lors de notre étude du modèle d’Ising, nous avons observé l’apparition de corrélations antiferromagnétiques au cours d’une variation temporelle de l’Hamiltonien, mettant en évidence une vitesse effective pour la propagation des corrélations, ainsi qu’un mécanisme caractéristique de croissance site-à-site. Pour le modèle XY, nous avons montré la préparation d’un nombre contrôlé d’excitations de spin, ainsi que la production de chaînes ferromagnétiques, ou d’un ensemble de chaînes ferromagnétiques anti-alignées deux à deux. Enfin, nous avons utilisé d’autres termes d’échange, présents dans l’interaction dipolaire, pour créer des amplitudes de saut complexe pour une particule effective. Cette utilisation a conduit à l’apparition d’un champ de jauge artificiel, dont l’effet a été mesuré sur un système minimal composé de trois atomes, et ouvre la voie à l’observation d’états de bords chiraux, caractéristiques des isolants topologiques.
Étude des interactions dipolaires induites par la lumière dans des ensembles d'atomes froids Notre équipe étudie le comportement collectif d’un gaz d’atomes en présence d’interactions de type dipôle-dipôle. Ces interactions apparaissent lorsqu'on illumine les atomes avec un laser de longueur d’onde quasi-résonant avec une transition atomique : les atomes se polarisent sous l’effet du champ laser, et les dipôles induits interagissent entre eux via le champ qu’ils rayonnent. Cette interaction est d’autant plus forte que les atomes sont proches les uns des autres, et peut perturber considérablement le comportement radiatif de l’ensemble atomique, voire empêcher l’excitation de plusieurs atomes à la fois. Par exemple, un nuage d’atomes dense peut se comporter comme une cavité sans miroirs : le laser peut exciter certains modes de rayonnement particuliers, qui rayonnent chacun avec sa fréquence et son taux de relaxation propres, différents de ceux d’un atome individuel. Certains de ces modes collectifs sont super-radiants (le nuage réémet l’excitation emmagasinée plus rapidement que ne le ferait un atome individuel), d’autres sont au contraire sub-radiants.Afin d’étudier ces phénomènes, notre équipe a construit une expérience qui permet de piéger entre 1 et ~500 atomes froids de rubidium dans un piège laser de dimensions ~1µm³. Nous excitons les atomes près de la transition à 780 nm. La taille du nuage, de l’ordre de 100 nm, est proche de la longueur d'onde réduite. Enfin, l’élargissement Doppler des transitions atomiques est négligeable (atomes froids). La situation est donc quasi-idéale pour l’observation de modes de rayonnement collectifs. Nous avons observé expérimentalement les effets de ces interactions, mais l'accord avec la théorie ne semble être, jusqu'à présent, que qualitatif (malgré nos efforts pour nous soustraire de la structure interne des atomes).Nous avons donc décidé de construire une deuxième version du dispositif expérimental. Cette ambitieuse deuxième version dispose à présent de deux axes optiques haute résolution. En plus de résoudre certains problèmes expérimentaux présent dans la précédente version, elle ouvre la voie à de nouvelles expériences pour étudier les interactions dipolaires: nouveaux régimes de densité et nouvelles configurations atomiques comme les chaînes d'atomes.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale performante pour la simulation quantique de problèmes à N corps, comme le confirment les récents progrès dans le domaine. Lors de cette thèse, nous avons d’abord montré la production de matrices de pinces optiques, toutes chargées par des atomes uniques dans leur état fondamental. Notre technique de piégeage a été étendue au cas des atomes de Rydberg. Ces derniers sont chassés des zones de haute intensité par la force pondéromotrice. Par conséquent, nous avons créé par holographie des zones sombres entourés de lumière, pour les confiner. Nous avons aussi étudié les corrélations entre spins dans le cas des Hamiltoniens d’Ising ou XY, en utilisant le régime d’interaction de van der Waals ou dipolaire résonnant. Lors de notre étude du modèle d’Ising, nous avons observé l’apparition de corrélations antiferromagnétiques au cours d’une variation temporelle de l’Hamiltonien, mettant en évidence une vitesse effective pour la propagation des corrélations, ainsi qu’un mécanisme caractéristique de croissance site-à-site. Pour le modèle XY, nous avons montré la préparation d’un nombre contrôlé d’excitations de spin, ainsi que la production de chaînes ferromagnétiques, ou d’un ensemble de chaînes ferromagnétiques anti-alignées deux à deux. Enfin, nous avons utilisé d’autres termes d’échange, présents dans l’interaction dipolaire, pour créer des amplitudes de saut complexe pour une particule effective. Cette utilisation a conduit à l’apparition d’un champ de jauge artificiel, dont l’effet a été mesuré sur un système minimal composé de trois atomes, et ouvre la voie à l’observation d’états de bords chiraux, caractéristiques des isolants topologiques.
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.