Théorie de la diffusion pour un atome couplé à un champ quantique

Antoine Browaeys

Frédérick VRONSKY

Ce travail propose, pour la première fois sous forme expérimentale explicite, une architecture de détection cohérente et sensible à la phase des modes photoniques individuels du Fond Diffus Cosmologique (FDC) à 160 GHz, avec pour objectif la reconstruction de l'état quantique complet du champ de rayonnement thermique primordial. Le FDC est un champ quantique véritable. Chaque mode électromagnétique à 160 GHz constitue un état thermique de Bose-Einstein de nombre moyen de photons n̅ ≈ 3×10⁻⁴ — soit un régime où les fluctuations du vide quantique dominent l'énergie thermique par un facteur 1700. Sa distribution de Wigner, ses probabilités d'états de Fock et sa cohérence du second ordre g⁺²⁻(0) n'ont jamais été mesurées directement. Toutes les expériences CMB existantes — COBE, WMAP, Planck, Observatoire Simons — sont des détecteurs de puissance, constitutionnellement aveugles à la structure quantique du champ. Ce travail identifie les cinq barrières technologiques séparant l'instrumentation actuelle de la tomographie d'état quantique du FDC, et propose une chaîne de détection concrète fondée sur un Amplificateur Paramétrique Josephson (APJ) opérant à 160 GHz au sein d'un réfrigérateur à dilution à T ≈ 20 mK. Le défi central est l'extension des APJ existants — actuellement limités à 24 GHz — jusqu'à la fréquence de pic du FDC. La solution proposée repose sur l'amplification sensible à la phase (squeezing, r ≈ 1,5, soit ~13 dB) permettant de descendre sous la Limite Quantique Standard et d'approcher le niveau du signal thermique primordial. Deux observables sont ciblées. La première est la mesure de g⁺²⁻(0) via la statistique de coïncidences photoniques : le super-bunching bosonique du champ thermique primordial est détectable à 10σ en approximativement 3 heures d'intégration avec une efficacité de détection optimisée. La seconde est la reconstruction de la fonction de Wigner W(X,P) par tomographie homodyne sur 100 angles de phase, nécessitant 10⁸ mesures par angle à une cadence de 1 MHz — soit environ 10⁴ secondes d'intégration totale, dans les capacités d'un système cryogénique stable. Les implications scientifiques sont multiples : première preuve directe de la nature quantique du FDC, test de la théorie quantique des champs en espace-temps courbe, sonde de la cohérence bosonique sur des distances cosmologiques de 13,8 milliards d'années, et ouverture d'un outil thermométrique sub-classique contraint par la borne quantique de Cramér-Rao plutôt que par la limite radiométrique classique. Ce travail est publié en accès ouvert comme point de départ citable pour un programme expérimental qu'aucune collaboration actuelle n'a encore entrepris. Il sera suivi d'une Section Spéciale VLCC proposant une lecture morphogénique des observables ciblés et des prédictions différentiables par rapport à la théorie quantique des champs standard.

Roy Eid

Interaction Réglable de Champ Moyen et au-delà du Champ Moyen pour un Condensat de Bose-Einstein dans un mélange cohérent de spin Cette thèse explore les interactions de champ moyen et au-delà du champ moyen dans un condensat de Bose-Einstein (BEC) à deux composantes de ³⁹K couplé de manière cohérente. Nous établissons d'abord le cadre théorique décrivant la structure atomique du potassium-39, les interactions interatomiques et les résonances de Feshbach. Nous présentons ensuite les théories de champ moyen et les corrections au-delà du champ moyen pertinentes pour les gaz de Bose ultrafroids. Nous décrivons également la physique des systèmes à deux niveaux couplés de manière cohérente, y compris le couplage radiofréquence, les balayages adiabatiques et les longueurs de diffusion dans la base des états habillés. Une grande partie du travail expérimental porte sur le développement d'un système de stabilisation du champ magnétique à haute précision, essentiel pour des mesures fiables et précises dans un BEC à deux composantes. Nous étudions l'énergie d'interaction de champ moyen dans un BEC à deux composantes couplés de manière cohérente, préparé dans l'état habillé, à la fois théoriquement et expérimentalement. Les résultats révèlent des non-linéarités et des effets de saturation en fonction de la densité. Nous explorons ensuite le régime des gouttelettes quantiques, dans le but d'observer des états autoliés stabilisés par les fluctuations quantiques au-delà de l'approximation de champ moyen. Enfin, nous présentons une expérience de tunneling d'un BEC à travers des barrières optiques créées à l'aide d'un dispositif à micromiroirs numériques (DMD) et d'un laser désaccorder vers le bleu, démontrant la transition entre les régimes de l'effet tunnel classique et quantique, ainsi que l'apparition d'interférences de type Fabry-Pérot dans les ondes de matière.

P. A. Meyer

François Nicoleau

Dans cet article, nous etudions les matrices de diffusion associees a un operateur de Schrodinger avec champ magnetique a longue portee. Nous estimons la singularite de l'amplitude de diffusion sur la diagonale et etablissons la compacite des matrices de transitions S (λ)-1. Comme application, nous etudions le phenomene de Aharonov-Bohm en theorie de diffusion quantique : nous montrons que cet effet apparait comme une perturbation de phase sur l'amplitude de diffusion

J. Leite Lopes