Le principe de complémentarité est un concept fondamental de la mécanique quantique. Il prédit que, dans une expérience d'interférométrie, toute tentative pour déterminer quel chemin la particule choisit entre les deux lames séparatrices brouille inévitablement les franges d'interférence. Dans ce mémoire, nous présentons une expérience qui illustre ce principe dans un interféromètre de Ramsey. Des atomes de Rydberg circulaires sont soumis à deux impulsions micro-onde résonantes sur une transition atomique, qui jouent le rôle de lames séparatrices en énergie. On observe alors des franges d'interférence dans la probabilité de détecter l'atome dans un état donné. Dans notre expérience, l'une des deux impulsions est effectuée dans le mode d'une cavité supraconductrice. Grâce au couplage fort entre l'atome et la cavité, nous avons pu effectuer l'impulsion même lorsque le champ dans la cavité contient très peu de photons en moyenne (N<1, impulsion quantique). Les franges ont alors un contraste réduit car l'état de la cavité mesure celui de l'atome au sein de l'interféromètre. Cette mesure est de moins en moins efficace lorsque N augmente. Le contraste des franges augmente donc, jusqu'à atteindre le contraste intrinsèque d'un interféromètre de Ramsey classique lorsque N>>1. Un modèle simple, qui ne tient compte que de l'intrication entre l'atome et la cavité, reproduit quantitativement les observations. Un des intérêts majeurs du dispositif d'électrodynamique quantique en cavité est de permettre la génération d'états non-classiques du champ. Il est alors particulièrement intéressant de les caractériser complètement. Nous présentons en dernière partie de ce mémoire une méthode directe pour mesurer la fonction de Wigner d'un état quelconque de la cavité, et son application à un état de Fock à un photon.
Le principe de complémentarité est un concept fondamental de la mécanique quantique. Il prédit que, dans une expérience d'interférométrie, toute tentative pour déterminer quel chemin la particule choisit entre les deux lames séparatrices brouille inévitablement les franges d'interférence. Dans ce mémoire, nous présentons une expérience qui illustre ce principe dans un interféromètre de Ramsey. Des atomes de Rydberg circulaires sont soumis à deux impulsions micro-onde résonantes sur une transition atomique, qui jouent le rôle de lames séparatrices en énergie. On observe alors des franges d'interférence dans la probabilité de détecter l'atome dans un état donné. Dans notre expérience, l'une des deux impulsions est effectuée dans le mode d'une cavité supraconductrice. Grâce au couplage fort entre l'atome et la cavité, nous avons pu effectuer l'impulsion même lorsque le champ dans la cavité contient très peu de photons en moyenne (N<1, impulsion quantique). Les franges ont alors un contraste réduit car l'état de la cavité mesure celui de l'atome au sein de l'interféromètre. Cette mesure est de moins en moins efficace lorsque N augmente. Le contraste des franges augmente donc, jusqu'à atteindre le contraste intrinsèque d'un interféromètre de Ramsey classique lorsque N>>1. Un modèle simple, qui ne tient compte que de l'intrication entre l'atome et la cavité, reproduit quantitativement les observations. Un des intérêts majeurs du dispositif d'électrodynamique quantique en cavité est de permettre la génération d'états non-classiques du champ. Il est alors particulièrement intéressant de les caractériser complètement. Nous présentons en dernière partie de ce mémoire une méthode directe pour mesurer la fonction de Wigner d'un état quelconque de la cavité, et son application à un état de Fock à un photon.
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.
Notre dispositif d'électrodynamique quantique en cavité permet de faire interagir dans le régime de couplage fort deux systèmes simples et parfaitement contrôlés : des atomes à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique. Des miroirs supraconducteurs permettent de stocker le champ électromagnétique micro-onde dans une cavité pendant plus d'un dixième de seconde. Afin de sonder et de manipuler le champ piégé, nous utilisons des atomes de Rubidium excités dans les états de Rydberg circulaires. Les atomes interagissent un à un avec la cavité dans le régime dispersif. Ils se comportent alors comme de petites horloges dont la fréquence est affectée par les photons piégés grâce au phénomène de déplacement lumineux. Les petites modifications de la phase atomique après la traversée du mode sont mesurées par interférométrie de Ramsey, permettant de compter le nombre de photons piégés. En adaptant légèrement la méthode, on parvient à reconstruire complètement la matrice densité du champ piégé. Cette technique a été appliquée à différents états non-classiques du champ : des états de Fock, dont le nombre de photons est parfaitement déterminé, et des états chat de Schrödinger. Ces derniers sont formés de la superposition quantique de deux champs classiques de phases différentes. En répétant la procédure de reconstruction pour plusieurs délais successifs après la préparation, on obtient un film image par image de l'évolution temporelle de l'état. L'étude de l'évolution de l'état chat de Schrödinger sous l'effet de la décohérence apporte un éclairage intéressant sur le problème de la mesure en mécanique quantique et la frontière entre les mondes classique et quantique.
Cette thèse présente l'étude des phénomènes transitoires lors de l'interaction d'un atome à deux niveaux avec des impulsions quantifiées. Dans une première partie nous rappelons les bases théoriques sur lesquelles s'appuie ce manuscrit. Dans un traitement semi-classique du problème, où le champ n'est pas traité quantiquement, nous montrons qu'il est possible de réaliser des transitions non-adiabatiques à l'aide d'impulsions lumineuses non-résonantes en régime de couplage fort. Nous introduisons ensuite le modèle de Jaynes-Cummings qui permet de traiter l'ensemble du système quantiquement, pour un champ mono-mode. Dans une seconde partie, nous étudions la situation d'un atome à deux niveaux traversant un micro-maser mono-mode. Dans ce cas, ce n'est pas le champs qui est transitoire mais le terme de couplage avec l'atome. La modulation du profil du champ contenu dans la cavité permet de réaliser des transitions non-adiabatiques. \nLe système se propage alors, à l'intérieur de la cavité, dans une superposition d'états adiabatiques. L'état final en sortie de la cavité peut être compris à l'aide d'un schéma d'interférence de type Ramsay. Lorsque l'énergie incidente de l'atome est du même ordre du grandeur que l'énergie d'interaction, le déplacement du centre de masse doit être quantifié afin de prendre correctement en compte les couplages opto-mécaniques. Nous développons pour cela une approche temporelle, en définissant plusieurs temps, associés aux différents états adiabatiques. Nous étudions dans les parties suivantes les configurations où un ou deux atomes sont confinés dans un guide d'onde à une dimension. \nCette configuration permet d'obtenir un régime de couplage fort, même pour un paquet d'onde à un seul photon. Dans le cas où il n'y a qu'un seul atome nous démontrons un théorème contraignant l'aire de l'impulsion transmise. En effet, pour un régime de couplage arbitraire, l'aire de l'impulsion transmise est systématiquement nulle. La contrepartie dans le domaine spectral est que la fréquence centrale de l'impulsion, résonante avec la transition atomique, est totalement réfléchie. Dans le cas où deux atomes sont présents dans le guide d'onde, nous explorons les processus d'échanges de photons entre ces atomes. Afin de traiter correctement l'influence des photons virtuels, nous montrons que l'approximation de l'onde tournante ne doit pas être faite. La dynamique des champs rayonnés est alors comprise en la reliant aux états retardés de Dicke. L'échange de photons virtuels conduit à une modification des niveaux de ces états et à une modification significative des spectres rayonnés. L'influence de ces photons virtuels peut être modulée, et même supprimée, en ajustant la distance inter-atomique. Nous montrons que le théorème contraignant l'aire de l'impulsion reste valable dans cette situation. Finalement nous traitons dans une dernière partie de l'interaction d'un atome à deux niveaux contenus dans un guide d'onde avec des champs non-classiques arbitraires. Pour cela, nous développons une nouvelle méthode en quantifiant le flux électromagnétique. Cette méthode à la particularité de définir de nouveaux états adiabatiques globaux, similaires à ceux utilisés dans les théories semi-classiques. Cette caractéristique permet de retrouver les résultats semi-classiques dans le cas où le champ est composé d'états cohérents à grand nombre de photons. Dans le cas général, la nouvelle structure des états adiabatiques est organisée en bandes d'états. Chaque bande du modèle quantique correspond à un état unique dans le modèle semi-classique. Nous faisons alors la distinction entre couplage intra- et inter-bandes.
Nous présentons ici la réalisation d'une dynamique quantique conditionnelle et la préparation d'un état intriqué à trois systèmes quantiques dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. Nous couplons des atomes, préparés dans un état de Rydberg circulaire, au mode d'une cavité de très haute surtension, préparé dans l'état vide. A résonance, un échange réversible et cohérent d'un quantum d'excitation entre l'atome et le champ a lieu : l'oscillation de Rabi quantique. En fixant le temps d'interaction à un cycle complet d'absorption et d'émission, nous obtenons une dynamique conditionnelle : la phase quantique de l'état atome--champ change si le mode contient un photon et si l'état atomique est couplé au mode. En revanche, si le mode ne contient pas de photon ou si l'état atomique n'est pas couplé, la phase reste inchangée. Nous démontrons ce changement de phase et nous faisons varier sa valeur en désaccordant la fréquence du mode par rapport à la transition atomique. De plus, nous vérifions que la dynamique préserve la cohérence des sous-systèmes, menant ainsi à un état intriqué si les deux sont initialement préparés dans des superpositions d'états. Nous interprétons le processus en termes d'une porte logique quantique et nous analysons ses limitations. Dans une deuxième expérience, nous préparons et analysons un état intriqué entre deux atomes et le champ en effectuant des opérations successives et réversibles. Le premier atome est intriqué avec le champ en interagissant avec ce dernier pendant un quart d'oscillation de Rabi. Le deuxième atome effectue ensuite, comme dans la première expérience, une oscillation de Rabi complète. Etant préparé dans une superposition de l'état couplé et de l'état non-couplé, il s'intrique également avec le champ, et donc avec le premier atome. Des mesures dans deux bases orthogonales sont effectuées sur l'état intriqué à trois systèmes résultant. Une analyse des signaux expérimentaux est présentée, confirmant que l'état préparé n'est effectivement pas séparable. Nous discutons des perspectives ouvertes par ces expériences pour le traitement quantique de l'information.
L'intrication procede directement des postulats de la mecanique quantique. Pourtant elle demeure l'un de ses concepts les plus debattus. C'est sur cette prediction que la completude de la theorie fut remise en question. Bien que des experiences aient tranche, le debat porte encore sur l'interpretation des phenomenes. Un systeme modele constitue d'atomes de rydberg circulaires a deux niveaux traversant le mode d'une cavite micro-onde de grand facteur de surtension nous permet de tester les fondements de la mecanique quantique. L'interaction de ces deux sous-systemes peut etre resonnante ou dispersive. Une premiere serie d'experiences met en evidence le transfert d'une excitation d'un premier atome a un second par l'intermediaire de la cavite. De facon similaire, la coherence d'un atome est transferee. Utilisant l'interaction resonnante atome-champ, ces experiences sont preliminaires a l'intrication de deux atomes : si un atome est intrique avec le champ de la cavite, alors c'est l'intrication qui peut etre transferee du champ a un second atome. Dans une deuxieme serie, nous generons et detectons ainsi des paires einstein-podolsky-rosen d'atomes intriques, contrepartie materielle des experiences menees avec des photons. La troisieme serie part de l'interaction dispersive au cours de laquelle un atome est intrique a un champ coherent mesoscopique stocke dans la cavite. L'atome traversant la cavite dans une superposition de deux etats atomiques, l'etat du systeme resultant implique deux champs de phases differentes. Nous avons pu pour la premiere fois etudier la dynamique de la decoherence sur cette aiguille mesoscopique. Nous modelisons ici le phenomene en suivant deux approches. L'evolution du systeme est etudiee par l'intermediaire de la fonction caracteristique puis a travers le couplage avec l'environnement. L'excellent accord entre les resultats de ces trois series d'experiences et les predictions de la mecanique quantique confirme l'exactitude de la theorie.
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.