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.
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.
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.
Une transition entre deux niveaux voisins d'un atome de Rydberg et une cavité micro-onde de très haut facteur de qualité constituent un excellent outil pour la recherche sur les interactions matière- rayonnement au niveau le plus fondamental. La simplicité du système (deux niveaux atomiques couplés à un seul mode du champ) permet un traitement analytique complet de la plupart des phénomènes. Dans ce mémoire nous étudions les effets dispersifs de l'interaction non-résonnante entre atomes et cavité. Nous avons mesuré la variation linéaire des déplacements des niveaux d'énergie atomiques avec le nombre moyen de photons dans la cavité. Des déplacements dus à une intensité moyenne inférieure au photon unique ont été observés. En l'absence de champ injecté, il a été possible de mesurer le déplacement résiduel d'un des deux niveaux de la transition atomique: un déplacement de Lamb dû à un seul mode du champ. Ces déplacements d'énergie sont mesurés de façon sensible par une méthode interférométrique: la technique des champs oscillants séparés de Ramsey. Des expériences futures, dans une situation de très faible relaxation du champ, sont proposées. Le caractère quantique du champ sera alors dominant et il sera possible de réaliser une mesure nondestructive du nombre de photons: le caractère non-résonnant de l'interaction assure que les atomes ne peuvent ni absorber ni émettre des photons dans la cavité. Les expériences réalisées démontrent la sensibilité de l'appareil et ouvrent la voie à ces mesures non-destructives ainsi qu'à l'étude de systèmes "mésoscopiques" (états "chat de Schrödinger" du champ), à la "frontière" entre les mondes classique et quantique.
Mon travail porte sur la construction d'une expérience d'électrodynamique quantique en cavité visant à réaliser un long temps d'interaction entre des atomes, portés dans des états de Rydberg circulaires, et des photons confinés dans une cavité micro-onde supraconductrice. Une source d'atomes froids génère un jet vertical d'atomes lents, traversant le mode de la cavité, avec une vitesse moyenne de 12 m.s⁻¹. Ainsi, nous obtenons un temps d'interaction atome-champ de l'ordre de la milliseconde. Il devrait permettre, en particulier, l'implémentation de l'effet Zénon quantique dynamique (QZD) sur le champ. Cette dynamique non-classique est un outil puissant, permettant la manipulation cohérente de l'état du champ et la synthèse de superpositions arbitraires d'états quasi-classiques de Glauber. Sa mise en œuvre nécessite une perturbation, faisant office de mesure, affectant seulement la cavité quand elle contient un nombre de photons n₀ choisi. Nous mettrons à profit le long temps d'interaction dont nous disposons afin de résoudre le spectre des états de l'atome habillés par le champ. L'anharmonicité du spectre vis-à-vis du nombre de photons permet une mesure sélective sur l'état de Fock n₀. Nous décrivons dans ce travail les premiers résultats expérimentaux attestant notre capacité à obtenir un long temps d'interaction. Nous présentons des données spectroscopiques résolvant les transitions associées aux états habillés correspondant à des nombres de photons allant de zéro à quatre et ce pour divers états du champ. Nous quantifions la sélection du nombre de photons obtenue à partir de telles mesures. Ces résultats ouvrent la voie à l'implémentation de la dynamique de Zénon.
La simulation quantique consiste à réaliser expérimentalement des systèmes artificiels équivalent à des modèles proposés par les théoriciens. Pour réaliser ces systèmes, il est possible d'utiliser des atomes dont les états individuels et les interactions sont contrôlés par la lumière. En particulier, une fois excités dans un état de haute énergie (appelé état de Rydberg), les atomes peuvent être contrôlés individuellement et leurs interactions façonnées arbitrairement par des faisceaux laser. Cette thèse s'intéresse à deux types de simulateurs quantiques à base d'atomes de Rydberg, et en particulier à leurs potentielles limitations.Dans l'expérience du Joint Quantum Institute (USA), nous observons la décohérence dans une structure cubique contenant jusqu'à 40000 atomes. A partir d'atomes préparés dans un état de Rydberg bien défini, nous constatons l'apparition spontanée d'états de Rydberg voisins et le déclenchement d'un phénomène d'avalanche. Nous montrons que ce mécanisme émane de l'émission stimulée produite par le rayonnement du corps noir. Ce phénomène s'accompagne d'une diffusion induite par des interactions de type dipole-dipole résonant. Nous complétons ces observations avec un modèle de champ moyen en état stationnaire. Dans un second temps, l'étude de la dynamique du problème nous permet de mesurer les échelles de temps caractéristiques. La décohérence étant globalement néfaste pour la simulation quantique, nous proposons plusieurs solutions pour en atténuer les effets. Nous évaluons notamment la possibilité de travailler dans un environnement cryogénique, lequel permettrait de réduire le rayonnement du corps noir.Dans l'expérience du Laboratoire Charles Fabry à l'Institut d'Optique (France), nous analysons les limites d'un simulateur quantique générant des structures bi- et tridimensionnelles allant jusqu'à 70 atomes de Rydberg piégés individuellement dans des pinces optiques. Le système actuel étant limité par le temps de vie des structures, nous montrons que l'utilisation d'un cryostat permettrait d'atteindre des tailles de structures jusqu'à 300 atomes. Nous présentons les premiers pas d'une nouvelle expérience utilisant un cryostat à 4K, et en particulier les études amont pour le développement de composants optomécaniques placés sous vide et à froid.
Décohérence spontanée dans les grands ensembles d'atomes de Rydberg La simulation quantique consiste à réaliser expérimentalement des systèmes artificiels équivalent à des modèles proposés par les théoriciens. Pour réaliser ces systèmes, il est possible d'utiliser des atomes dont les états individuels et les interactions sont contrôlés par la lumière. En particulier, une fois excités dans un état de haute énergie (appelé état de Rydberg), les atomes peuvent être contrôlés individuellement et leurs interactions façonnées arbitrairement par des faisceaux laser. Cette thèse s'intéresse à deux types de simulateurs quantiques à base d'atomes de Rydberg, et en particulier à leurs potentielles limitations.Dans l'expérience du Joint Quantum Institute (USA), nous observons la décohérence dans une structure cubique contenant jusqu'à 40000 atomes. A partir d'atomes préparés dans un état de Rydberg bien défini, nous constatons l'apparition spontanée d'états de Rydberg voisins et le déclenchement d'un phénomène d'avalanche. Nous montrons que ce mécanisme émane de l'émission stimulée produite par le rayonnement du corps noir. Ce phénomène s'accompagne d'une diffusion induite par des interactions de type dipole-dipole résonant. Nous complétons ces observations avec un modèle de champ moyen en état stationnaire. Dans un second temps, l'étude de la dynamique du problème nous permet de mesurer les échelles de temps caractéristiques. La décohérence étant globalement néfaste pour la simulation quantique, nous proposons plusieurs solutions pour en atténuer les effets. Nous évaluons notamment la possibilité de travailler dans un environnement cryogénique, lequel permettrait de réduire le rayonnement du corps noir.Dans l'expérience du Laboratoire Charles Fabry à l'Institut d'Optique (France), nous analysons les limites d'un simulateur quantique générant des structures bi- et tridimensionnelles allant jusqu'à 70 atomes de Rydberg piégés individuellement dans des pinces optiques. Le système actuel étant limité par le temps de vie des structures, nous montrons que l'utilisation d'un cryostat permettrait d'atteindre des tailles de structures jusqu'à 300 atomes. Nous présentons les premiers pas d'une nouvelle expérience utilisant un cryostat à 4K, et en particulier les études amont pour le développement de composants optomécaniques placés sous vide et à froid.
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.