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.
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.
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.
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.
Production et interaction de photons en utilisant des polaritons atomiques et des interactions de Rydberg Produire et faire interagir entre eux des photons optiques de façon contrôlée sont deux conditions nécessaires au développement de communications quantiques à longue distance, et plus généralement au traitement quantique d’information codée sur des photons. Cette thèse présente une étude expérimentale de solutions possibles a ces deux problèmes, en utilisant la conversion des photons en excitations collectives (polaritons) dans un nuage d’atomes froids, placé dans le mode d’une cavité optique de faible finesse (~100). Dans un premier temps, des polaritons entre états atomiques fondamentaux sont utilisés pour « mettre en mémoire » une excitation unique dans le nuage. Celle-ci est ensuite convertie efficacement en un photon unique, dont le champ est analysé par tomographie homodyne. La fonction de Wigner de l’état à un photon est reconstruite a partir des données expérimentales, et présente des valeurs négatives, démontrant que les degrés de liberté de ce photon (mode spatio-temporel et état quantique) sont complètement contrôlés. Dans un second temps, les photons sont couplés à des polaritons impliquant des états de Rydberg. Les fortes interactions dipolaires entre ces derniers se traduisent par des non-linéarités optiques dispersives très importantes, qui sont caractérisées dans un régime d’excitation classique. Ces non-linéarités peuvent être amplifiées jusqu’à ce qu’un seul photon suffise à modifier totalement la réponse du système, permettant en principe de générer des interactions effectives entre photons.
Plateforme hybride cavité-Rydberg pour des interactions photoniques Atteindre un régime où des photons peuvent interagir entre eux est un but important de l’optique quantique. Il s’agit d’une condition fondamentale pour pour de nombreux domaines, e.g. la mise en place d’un réseau de communication quantique, mais c’est aussi une manière de permettre l’étude et la simulation de la physique de la matière condensée. Ce manuscrit présente le travail effectué durant trois ans pour assembler et tester une plateforme expérimentale visant à créer et à contrôler des interactions cohérentes entre photons optiques individuels et de franchir ainsi une étape importante pour le développement des technologies quantiques. Le montage combine des techniques venant de l’électrodynamique en cavité et des atomes froids : un ensemble d’atomes froids est transporté dans une cavité spécialement étudiée, permettant de transitoirement convertir les photons qui y circulent en polaritons de Rydberg atomique présentant de fortes interactions. Le contrôle de certains paramètres, relevant soit du nuage, de l’excitation ou bien de la cavité, doivent nous permettre de tester la validité de théorèmes fondamentaux en logique quantique, de générer des états non classiques et d’accéder à un régime dans lequel la simulation de système bidimensionnels propres à la matière condensée devient possible. Une première partie du manuscrit présente le montage et la manière dont les différents sous-systèmes requis ont été mis en place. Dans une deuxième partie les premières mesures d’EIT dans le nuage sont effectuées et décrites. Enfin, l’évolution à venir du montage est mentionnée.
Préparation déterministe d'atomes de Rydberg uniques pour des expériences d'information quantique Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique.
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.