Interactions photoniques dans des nuages de Rydberg

Valentin Magro

Ingénierie quantique de la lumière à l'aide d'atomes de Rydberg en cavité Produire des interactions entre photons optiques est une étape cruciale pour la mise en œuvre de protocoles de communication quantique et de calcul quantique photonique. Pour atteindre cet objectif, un milieu fortement non linéaire est nécessaire. Cette thèse présente une configuration conçue pour faciliter de telles interactions, consistant en un petit nuage atomique placé à l’intérieur d’une cavité optique de finesse moyenne et excité jusqu’à un état de Rydberg. La nature collective de l’ensemble atomique renforce le couplage entre le nuage et le champ lumineux de la cavité, tandis que les interactions de Rydberg suppriment les doubles excitations au sein du nuage. Par conséquent, le nuage atomique se comporte comme un « superatome » collectif à trois niveaux, couplé au mode de la cavité. La première partie de cette thèse traite des imperfections du modèle idéal de superatome en prenant en compte les multiples excitations de Rydberg au sein du nuage. Un nouveau modèle théorique est introduit pour décrire les effets d’un blocage de Rydberg imparfait, dans le régime se limitant à deux excitations de Rydberg. Ce modèle est ensuite validé à travers une série d’expériences, démontrant sa validité dans le cadre expérimental qui nous intéresse. Dans la deuxième partie, l’état interne du superatome est contrôlé de manière cohérente et transféré à un mode lumineux libre pour générer un qubit optique encodé comme une superposition quantique de 0 et 1 photons. Les mesures de corrélation photonique révèlent la nature unique des états émis, avec un effet de dégroupement marqué et une probabilité résiduelle de 0,5 % d’émettre deux photons par impulsion. Les états photoniques sont générés dans le mode spatiotemporel souhaité avec une efficacité élevée de 60 %. Grâce à la tomographie homodyne, la matrice densité des états produit est reconstruite, permettant de calculer les fonctions de Wigner. En accord avec les prédictions théoriques, ces fonctions présentent une compression des quadratures pour de petits angles de rotation du qubit et développent une région négative lorsque l’angle approche p. Dans la troisième partie, le dispositif expérimental est amélioré pour inclure un deuxième nuage atomique dans la cavité. Les premières expériences se concentrent sur l’introduction d’une excitation dans un superatome et de son transfert, via la cavité, au deuxième superatome. Ce processus atteint une efficacité d’environ 30 %, en accord avec les prédictions théoriques. Ces résultats ouvrent la voie à de futurs progrès pour réaliser des portes quantiques plus complexes et des protocoles de communication quantique.

Gerard T. Higgins

Rajiv Boddeda

Non-linéarités absorbante optiques utilisant excitations Rydberg dans la cavité Le contrôle des états quantiques de la lumière est une étape nécessaire pour la transmission et le traitement quantiques des informations. Un nuage d'atomes froids constitue un milieu optiquement non-linéaire très intéressant pour créer et manipuler des états photoniques. Le sujet de cette thèse est l'étude expérimentale de telles non-linéarités, induites entre des photons optiques par leur couplage avec des atomes de Rydberg. Les états de Rydberg sont des états atomiques très excités (n>30), qui permettent de créer des interactions photon-photon par l'intermédiaire de leurs interactions dipôle-dipôle à longue distance (>10µm). Nous utilisons une cavité de faible finesse pour transformer ces interactions en effets observables sur un faisceau de très faible intensité, ce qui peut permettre de produire des états non-classiques de lumière.

Kashif Ammar Yasir, Wu-Ming Liu

Kashif Ammar Yasir, Wu-Ming Liu

R Teixeira

Les énergies typiques de l’interaction dipolaire entre atomes de Rydberg sont plusieurs ordres de grandeur au-dessus des énergies d’interaction d’atomes et molécules dans le niveau fondamental. Une échelle de distance de plusieurs micromètres découle de cette interaction, ce qui est à l’origine du phénomène de blocage dipolaire, ou la suppression d’excitations d’atomes de Rydberg dans des nuages atomiques denses. Dans une première partie de cette thèse, nous étudions l’application de ce phénomène à l’excitation déterministe d’un atome unique à partir d’un condensat de Bose-Einstein piégé magnétiquement devant une puce à atomes. Une deuxième partie est consacrée à l’étude de l’interaction dipolaire d’ensembles denses d’atomes de Rydberg par spectroscopie microonde des transitions vers les niveaux de Rydberg proches en énergie. Ces ensembles sont créés par excitation laser à partir d’un nuage froid d’atomes de Rb87 dans l’état fondamental. Les spectres des transitions microonde sont élargis et déplacés par l’interaction dipolaire. L’étude de ces spectres permet ainsi d’inférer plusieurs aspects de la distribution spatiale des atomes de Rydberg créés, ce qui révèle différents processus d’excitation selon que la lumière laser est à résonance ou désaccordée. L’évolution mécanique du nuage d’atomes de Rydberg en fonction de leur interaction répulsive a aussi été observée, grâce à une série de spectres microonde à différents délais de l’excitation. Nous montrons ainsi que, pour des échelles temporelles supérieures à 10µs, leur mouvement doit être pris en compte pour la compréhension de la dynamique d’excitation de Rydberg dans des nuages atomiques denses.