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Coherent manipulation of the internal state of an atomic gas : from atomic memories to atomic interferometers

Pietro Lombardi

Published Jan 1, 2012• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Ce travail de thèse est consacré à l'exploration de méthodes cohérentes pour la manipulation des états internes d'une nuage atomique. L'objectif final est de créer un schéma pour la réalisation d'une mémoire quantique capable de stocker l'état quantique d'une impulsion lumineuse dans une cohérence atomique. J'ai exploré deux différentes réalisations expérimentales, les deux basées sur la transparence induite électromagnétiquement dans un système à trois niveaux en configuration Lambda. La première réalisation est basée sur sous-niveaux Zeeman d'atomes de césium à température ambiante (réalisé dans le groupe de E. Giacobino au LKB, Paris) en s'appuyant sur la ligne D2. En présence d élargissement Doppler l'effet EIT est fortement réduite en raison de la présence de transitions adjacentes. Nous avons développé un modèle théorique pour décrire la réponse optique du système, comprenant les contributions des transitions hors résonance. Nous avons ensuite vérifié expérimentalement le modèle et trouvé une méthode pour améliorer la transparence optique basée sur un de-pompage sélectif en vitesse. La deuxième réalisation est basée sur les états hyperfins de atomes de rubidium ultra-froids piégés dans une micro-piège magnétique (réalisé dans le groupe de F.S. Cataliotti au LENS, Firenze). Dans cette expérience, nous avons observé une forte réduction (près de 6 ordres de grandeur) de la vitesse de la lumière dans l'ensemble atomique, une étape fondamentale vers la réalisation de stockage d'information cohérente. Nous avons développé également une méthode pour mesurer la phase relative entre deux impulsions de lumière en utilisant l'interférométrie atomique

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Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.

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•Nov 3, 2015•0 citations

Etude de la transparence électromagnétiquement induite dans un ensemble d'atomes froids et application aux mémoires quantiques

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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.

•Jan 1, 2013•0 citations

Manipulations cohérentes d'états de Rydberg elliptiques par dynamique Zénon quantique

Adrien Signoles

Dans ce mémoire, nous décrivons la réalisation d'un nouveau montage expérimental permettant de manipuler, à l'aide d'un champ radiofréquence de polarisation bien définie, l'état interne d'un atome de Rydberg à l'intérieur de la multiplicité Stark. Nous avons utilisé ce dispositif pour transférer, avec une efficacité proche de 1, les atomes depuis un niveau de faible moment angulaire, accessible par excitation optique depuis le fondamental, vers le niveau de Rydberg circulaire, de moment angulaire maximal. Nous avons ensuite cherché à induire des dynamiques quantiques nouvelles de l'état de l'atome et mis en évidence la dynamique Zénon quantique dans un système de grande dimension. En appliquant un champ micro-onde bien choisi, on peut restreindre l'évolution atomique induite par le champ radiofréquence à un sous-ensemble des niveaux Stark de la multiplicité. Cette dynamique confinée est très différente d'une dynamique classique, le système évoluant périodiquement vers un état " chat de Schrödinger ". Nous avons expérimentalement observé cette évolution dans l'espace des phases et mesuré la fonction de Wigner de l'atome au moment de l'apparition du chat, démontrant pour la première fois les aspects non-classiques de la dynamique Zénon quantique dans un espace de Hilbert non-trivial.

•Dec 11, 2014•0 citations

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Nous étudions la génération, le stockage et la manipulation d'états non classiques de la lumière et des atomes grâce à l'interaction entre un nuage d'atomes froids et de champs optiques en cavité. Après avoir généré expérimentalement des états comprimés et intriqués du champ lorsque les atomes se comportent comme un milieu Kerr, nous étudions théoriquement la possibilité de générer de tels états dans des systèmes à trois niveaux, ainsi que la réduction des fluctuations quantiques atomiques sous le bruit quantique standard. Nous présentons ensuite plusieurs schémas pour transférer et stocker les fluctuations d'états non classiques du champ au spin collectif d'un ensemble atomique afin de réaliser une mémoire quantique à atomes froids. Comme applications pour l'information quantique nous étudions l'intrication et la téléportation d'ensemble atomique, la réalisation de mémoires quantiques de longue durée de vie avec des spins nucléaires d'3He et l'intrication d'oscillateurs mécaniques.

•Jan 1, 2005•1 citation

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