La fonction d'onde de deux particules après une interaction mutuelle ne peut pas, en général, être exprimée comme le produit d'états individuels des particules. Pour qu'une collision atomique puisse produire une intrication maximale, il faut cependant des conditions exceptionnelles. Ces conditions sont réunies dans notre dispositif, où l'interaction dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg "à deux niveaux" peut être stimulée par une cavité supraconductrice non-résonnante. En exploitant cet effet, nous avons réalisé des états fortement intriqués dans des collisions binaires avec des paramètres d'impact de l'ordre du millimètre. L'angle de collision peut être varié en modifiant le désaccord atomes-cavité, ce qui nous a permis d'observer l'échange d'énergie réversible et cohérent (oscillation de Rabi) entre deux atomes. Par un choix opportun des valeurs des paramètres, nous avons en particulier réalisé et testé une paire 'EPR' d'atomes. La relative insensibilité de cette méthode d'intrication au facteur de qualité du résonateur rend sa fidélité compatible avec des expériences de violation des inégalités de Bell ainsi qu'avec la manipulation cohérente d'un nombre plus important d'atomes. Nous présentons en outre une nouvelle procédure de fabrication des cavités micro-ondes. Les nouvelles cavités devraient en particulier permettre l'extension des études sur l'intrication aux champs confinés dans deux résonateurs séparés.
La fonction d'onde de deux particules après une interaction mutuelle ne peut pas, en général, être exprimée comme le produit d'états individuels des particules. Pour qu'une collision atomique puisse produire une intrication maximale, il faut cependant des conditions exceptionnelles. Ces conditions sont réunies dans notre dispositif, où l'interaction dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg "à deux niveaux" peut être stimulée par une cavité supraconductrice non-résonnante. En exploitant cet effet, nous avons réalisé des états fortement intriqués dans des collisions binaires avec des paramètres d'impact de l'ordre du millimètre. L'angle de collision peut être varié en modifiant le désaccord atomes-cavité, ce qui nous a permis d'observer l'échange d'énergie réversible et cohérent (oscillation de Rabi) entre deux atomes. Par un choix opportun des valeurs des paramètres, nous avons en particulier réalisé et testé une paire 'EPR' d'atomes. La relative insensibilité de cette méthode d'intrication au facteur de qualité du résonateur rend sa fidélité compatible avec des expériences de violation des inégalités de Bell ainsi qu'avec la manipulation cohérente d'un nombre plus important d'atomes. Nous présentons en outre une nouvelle procédure de fabrication des cavités micro-ondes. Les nouvelles cavités devraient en particulier permettre l'extension des études sur l'intrication aux champs confinés dans deux résonateurs séparés.
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.
La production et l'étude de la décohérence de superpositions mésoscopiques d'états, communéments appelés "Chats de Schrödinger", est l'un des enjeux majeurs de l'Electrodynamique Quantique en Cavité. Dans ce mémoire nous présentons une nouvelle technique pour générer des superpositions mésoscopiques d'états du champ électromagnétique dans le mode d'une cavité supraconductrice de grand facteur de qualité. Nous observons qu'un atome de Rydberg interagissant de façon résonnante avec un champ cohérent contenant quelques dizaines de photons scinde celui-ci en deux composantes de phases opposées +/-phi où phi est inversement proportionnel à la racine du nombre de photons. Les phases du champ et du dipôle atomique sont intriquées. L'objet microscopique qu'est l'atome laisse ainsi son empreinte sur l'objet mésoscopique qu'est le champ. Cet effet, dû à la granularité du champ, disparaît à la limite classique. Nous avons vérifié la corrélation entre la phase atomique et la phase du champ, puis préparé une superposition de deux champs cohérents de phases opposées. Nous avons analysé la distribution de phase du champ par une technique de détection homodyne. Nous avons ensuite estimé la cohérence des superpositions réalisées. La distance des chats préparés par cette technique est de l'ordre de 20 photons. Tester la non-localité de la Mécanique Quantique constitue également une motivation de nos expériences. On présente une étude théorique et numérique de violation des inégalités de Bell avec des états cohérents intriqués préparés dans les modes de deux cavités distinctes.
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.
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.
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.
La manipulation d’états non-classiques suscite depuis quelques années un engouement important de la part de la communauté scientifique. Que ce soit sur un plan fondamental ou en vue de potentielles applications par exemple dans les domaines de la métrologie, de la communication, ou de l’information quantique, il est essentiel de préparer des systèmes quantiques dans des états non-classiques et de contrôler leur évolution. Le champ de l’électrodynamique quantique en cavité apparaît comme un cadre expérimental idéal pour étudier l’ingénierie de tels états de la lumière. Il repose sur le couplage fort entre un système à deux niveaux d’une part et un mode du champ électromagnétique d’autre part. Cette thèse présente une nouvelle expérience d’électrodynamique quantique en cavité combinant un jet d’atomes lents préparés dans des états de Rydberg dits « circulaires » et le mode électromagnétique d’une cavité supraconductrice. Ce nouveau dispositif permet une augmentation considérable du temps d’interaction entre l’atome et le champ. Nous présentons dans ce manuscrit les premiers résultats expérimentaux qui en découlent. Premièrement, en exploitant le régime d’interaction résonant entre l’atome et le champ nous avons pu générer un état superposé de type chat de Schrödinger que nous avons caractérisé par ses oscillations de Rabi. Deuxièmement, en se plaçant dans le régime d’interaction dispersif, le long temps d’interaction permet de résoudre le spectre des états habillés du système pour des états du champ contenant jusqu’à 8 photons. Cette résolution a alors pu être exploitée afin de générer des états quantiques du champ comme une superposition de 0 et de 2 photons.