Dans ce mémoire, nous démontrons la préparation et la détection d atomes uniques sur une puce à atomes. Nous préparons un atome unique de Rubidium couplé fortement à un résonateur optique de haute finesse intégrée à la puce à atomes. L atome est extrait d un condensat de Bose-Einstein et piégé à une position de couplage maximum au résonateur. Nous mesurons le spectre du système couplé et démontrons qu il se situe dans le régime de couplage fort d électrodynamique quantique. Ceci nous permet d utiliser la transmission et la réflexion du résonateur pour déduire l état hyperfine de l atome piégé. Nous obtenons une fidélité de détection de 99.93% avec un temps de détection de 100 microsecondes. L atome reste piégé pendant la détection. Cette performance est comparable aux expériences d ions piégés et est compatible avec des techniques de correction d erreurs dans le cadre de l information quantique. Nous mesurons également le taux de diffusion de photons pendant la détection, et démontrons que nous détectons l état interne de l atome avec une erreur inférieure à 10% en diffusant moins de 0.2 photons en moyenne. Pour conclure la caractérisation du processus de détection, nous analysons la projection de l état atomique due à la mesure en effectuant une expérience de type Zeno quantique. Nous démontrons que chaque photon incident sur la cavité réduit la cohérence de l état atomique d un facteur de 0.7. La détection présentée est donc proche de l exemple type d une mesure projective d un system quantique à deux niveaux
Dans ce mémoire, nous démontrons la préparation et la détection d atomes uniques sur une puce à atomes. Nous préparons un atome unique de Rubidium couplé fortement à un résonateur optique de haute finesse intégrée à la puce à atomes. L atome est extrait d un condensat de Bose-Einstein et piégé à une position de couplage maximum au résonateur. Nous mesurons le spectre du système couplé et démontrons qu il se situe dans le régime de couplage fort d électrodynamique quantique. Ceci nous permet d utiliser la transmission et la réflexion du résonateur pour déduire l état hyperfine de l atome piégé. Nous obtenons une fidélité de détection de 99.93% avec un temps de détection de 100 microsecondes. L atome reste piégé pendant la détection. Cette performance est comparable aux expériences d ions piégés et est compatible avec des techniques de correction d erreurs dans le cadre de l information quantique. Nous mesurons également le taux de diffusion de photons pendant la détection, et démontrons que nous détectons l état interne de l atome avec une erreur inférieure à 10% en diffusant moins de 0.2 photons en moyenne. Pour conclure la caractérisation du processus de détection, nous analysons la projection de l état atomique due à la mesure en effectuant une expérience de type Zeno quantique. Nous démontrons que chaque photon incident sur la cavité réduit la cohérence de l état atomique d un facteur de 0.7. La détection présentée est donc proche de l exemple type d une mesure projective d un system quantique à deux niveaux
Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé le premier détecteur d'atomes uniques piégés sur une puce à atomes, basé sur l'interaction avec une cavité optique dans le régime de couplage fort. Fonctionnant dans le régime de détection dite "non-destructive", le dispositif de détection permet de préparer de manière déterministe un atome unique piégé dans un piège dipolaire, avec une précision en position submicrométrique, et dans un état interne spécifique. Ce nouveau dispositif de préparation et de mesure est utilisé dans une expérience d'effet Zénon quantique, la première avec des atomes neutres individuels. Sous l'effet de la mesure, l'oscillation de Rabi entre les deux sous-niveaux hyperfins du niveau fondamental de l'atome de Rubidium 87 est stoppée. L'expérience, effectuée à la fois dans le régime continu et le régime pulsé, permet de montrer l'adéquation entre le flux d'information extraite du système et le flux de photons traversant la cavité optique de détection.
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.
Création d'états intriqués d'un ensemble d'atomes dans une cavité optique Dans cette thèse, nous démontrons la création et la caractérisation d'états intriqués dans un ensemble atomique à l'aide d'un résonateur optique de haute finesse. Notre dispositif expérimental consiste en une cavité fibrée placée en dessous d'une puce à atomes. Les atomes sont tous piégés dans un seul ventre du piège dipolaire créé dans la cavité. Ainsi, ils sont également couplés au mode lumineux de la cavité. Nous présentons une méthode basée sur une mesure collective et non-destructive et une évolution conditionnelle qui sert à créer des états intriqués et symétriques puis à les analyser, avec la résolution d'une particule unique, en mesurant d'une manière directe leur fonction Husimi Q. En utilisant cette méthode, nous créons et caractérisons des états W contenant jusqu'à 41 atomes. Nous reconstituons la partie symétrique de la matrice densité à partir des données expérimentales de la fonction Husimi Q en utilisant différentes méthodes de reconstruction quantique et nous obtenons une fidélité de 0.42. Par ailleurs, nous avons établi un critère d'intrication qui consiste à comparer seulement deux populations de la matrice densité. Nous l'utilisons pour déterminer le degré d'intrication présent dans les états expérimentalement créés et nous trouvons que l'état de fidélité maximale contient au moins 13 particules intriquées. Pour finir, nous présentons des résultats préliminaires concernant des expériences de dénombrement d'atomes dans la cavité en régime de mesures non-destructives ainsi que des expériences de création d'états intriqués en se servant de la dynamique Zénon quantique.
Optique quantique non-linéaire avec un super-atome de Rydberg couplé à une cavité de finesse moyenne La production d'interactions entre photons optiques est une préoccupation majeure pour la mise en œuvre de protocoles de communication quantique, le calcul quantique photonique et l'exploration de fluides photoniques en interaction. Cette thèse présente une plateforme expérimentale conçue pour obtenir ces interactions via un petit ensemble d’atomes couplé à une cavité. Les photons injectés à travers le résonateur sont transitoirement convertis en excitations de Rydberg, caractérisées par de fortes interactions de van der Waals couvrant l’ensemble. Cette hybridation entre photons et excitations atomiques, aussi appelé polariton, permet d’atteindre des non-linéarités optiques entre quelques photons. La première partie de cette thèse présente le dispositif expérimental, aborde la construction et les choix techniques. La deuxième partie se concentre sur la caractérisation de l'expérience et les différentes étapes nécessaires pour atteindre de fortes interactions : la préparation d'un petit nuage atomique, le fort couplage collectif avec le résonateur, l'hybridation entre photons et excitations atomiques. La dernière partie présente deux expériences menées avec la plateforme. Dans la première, les fortes interactions obtenues par les excitations de Rydberg sont utilisées pour réaliser une mémoire quantique non linéaire. Ce mécanisme tronque un état cohérent et permet de produire efficacement des photons uniques. La deuxième expérience porte sur le contrôle et la détection à mesure unique d'une excitation Rydberg dans le nuage. En particulier, un atome de Rydberg est suffisant pour induire un changement de signe du champ réfléchi sur la cavité.
Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité.
Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité.