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EDP Sciences eBooks

Photons et atomes

Claude N. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc, G. Grynberg

Published Jan 1, 1987• 129 citations
Publisher

Abstract

L'objectif : donner au lecteur des bases solides sur la description quantique du champ électromagnétique, pour aborder efficacement l'étude des processus d'interaction entre atomes et photons tels qu'ils apparaissent en physique atomique et moléculaire, en optique quantique et en physique des lasers.
DOI
10.1051/978-2-7598-0135-0

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Optique quantique en environnement solide

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Mon objectif premier a été de revisiter l’optique quantique (initialement explorée avec des atomes et des cavités naturels) avec des atomes et des cavités artificiels, tels que des boîtes quantiques semi-conductrices, ou des qubits en électrodynamique quantique des circuits. Contrairement aux systèmes de physique atomique, les atomes et les cavités de la matière condensée sont couplés à des environnements natifs, qui conduisent à des divergences fon- damentales par rapport à l’optique quantique traditionnelle. J’ai décliné ce jeu de deux manières : 1. Remplacer un atome par une boîte quantique (Optique quantique des atomes artificiels), 2. Remplacer un photon stationnaire par un photon pro- pageant (Optique quantique des atomes uni-dimensionnels). Eventuellement, il est apparu que les divergences par rapport à la physique atomique, loin d’être un écart à l’idéalité, peuvent être exploitées pour créer des fonctionnalités nouvelles en information quantique intégrée. En particulier, l’idée correspondant à l’axe 1 ouvre la voie à la réalisation de composants pour l’information quantique fonctionnant à température ambiante, et est actuellement explorée dans le cadre d’un projet européen impliquant plusieurs acteurs majeurs de la photonique quantique.Cette motivation d’exploiter les environnements m’a naturellement amenée à un domaine de recherche actuellement en plein essor : la thermodynamique quantique. La thermodynamique a originellement été développée pour extraire de l’énergie utile (du travail), à partir de sources d’énergie désorganisées (de la chaleur extraite de bains thermiques), en contrôlant les transformations thermodynamiques d’un petit système : le fluide calorifique. Mon objectif pour la suite est d’explorer l’optique quantique dans ce nouveau paradigme.

•May 23, 2014•0 citations

Le rôle des fluctuations dans la dynamique d'un atome couplé au champ électromagnétique

Jean Dalibard

Ce travail est consacré à l'étude de la modification de la dynamique d'un atome induite par le couplage de cet atome avec le rayonnement. Nous commençons par étudier la dynamique atomique interne, et nous montrons qu'il est possible de séparer, pour les différents processus radiatifs (émission spontanée, déplacement de Lamb, ...), la contribution des fluctuations du vide et de la réaction de rayonnement. Nous étudions ensuite la dynamique externe de l'atome dans une onde électromagnétique. Partant de l'analogie profonde entre ce problème et celui du mouvement Brownien, nous montrons qu'il est possible d'établir, pour l'évolution de la fonction de Wigner atomique, une équation de Fokker-Planck-Kramers. Les différents termes de cette équation, force stationnaire, force de friction, coefficient de diffusion de l'impulsion atomique, sont interprétés physiquement en termes de processus d'absorption et d'émission (stimulée ou spontanée) de photons par l'atome. Le cas particulier du mouvement atomique dans une onde laser stationnaire intense est étudié en détail, et nous montrons, théoriquement et expérimentalement, qu'un tel système peut conduire à un refroidissement très efficace des atomes. Nous abordons enfin le problème du piégeage radiatif d'atomes neutres, et nous présentons plusieurs propositions originales pour confiner de manière stable des atomes à l'aide de faisceaux laser.

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Processus d'interaction entre photons et atomes

Claude N. Cohen-Tannoudji, J. Dupont-Roc, G. Grynberg

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B. Reznychenko

Optique quantique des atomes unidimensionnels, avec application aux interfaces spinphoton Les phénomènes quantiques ouvrent des possibilités nouvelles et révolutionnaires dans les domaines du calcul et de la cryptographie. Il est attendue, que des problèmes impossibles à résoudre avec des moyens classiques, peuvent être résolus par des ordinateurs quantiques, et la communication devient absolument sécurisée si elle est encodée dans un état de système quantique – un bit quantique. Un effort important a récemment été consacré à la recherche sur le transfert déterministe d’information entre photons et atomes, fonctionnant comme des bits quantiques volants et stationnaires respectivement. L’interaction entre ces deux composants est augmentée s’ils sont placés dans un milieu optique unidimensionnel, réalisant un système appelée “un atome 1D”. L’étude de ce milieu optique et des ses applications aux technologies quantiques constitue l’objectif de cette thèse.Tout d’abord, nous explorons l’interaction entre le champ lumineux et un atome 1D, en prenant une boîte quantique semi-conductrice dans un micropilier comme exemple. Nous étudions le contrôle cohérent de ce système avec des impulsions lumineuses afin de trouver un moyen optimal de contrôler son état, en faisant varier la puissance, la forme et la durée d’une impulsion, ainsi que la statistique de l’état quantique du champ lumineux. Nous étudions également l’impact de l’atome 1D sur l'état du champ réfléchi en fonction des paramètres du système expérimental.Nous poursuivons avec l’étude de l’état quantique du champ lumineux réfléchi, en nous concentrant sur sa pureté. C’est important pour transmettre fidèlement l’état superposition d’un bit stationnaire à un autre par la lumière, qui agit comme un bit quantique volant. Nous développons une méthode de caractérisation expérimentale de la pureté et l’appliquons à des données expérimentales, démontrant ainsi que la technologie moderne permet de créer des superpositions de haute pureté.Enfin, nous nous concentrons sur la lecture d’un qubit stationnaire basé sur un spin dans un environnement unidimensionnel. Nous étudions comment la lumière polarisée peut être utilisé pour cela, en montrant qu’il est possible de lire l’état de spin en détectant qu’un seul photon. Nous explorons différents écarts de ce régime optimal. Nous étudions également la décohérence de l’état de spin due à l’interaction avec le champ lumineux, et back-action de la mesure, montrant que l’état de spin peut être “gelé”. C’est une manifestation de l’effet Zeno quantique, qui permet la préparation du qubit dans un état arbitraire. Cela ouvre des perspectives pour la réalisation efficace de bits quantiques stationnaires basés sur des spins uniques incorporés dans un environnement électromagnétique unidimensionnel.

•Dec 13, 2018•0 citations

3. Atomes et photons uniques : échange d’information quantique

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EDP Sciences eBooks•Nov 5, 2020•0 citations
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