Phase control and pulse shaping in Bragg diffraction for quantum atom optics : from matter-wave interferences to a Bell's inequality test

Abstract

Contrôle de phase et façonnage d'impulsion de la diffraction de Bragg pour l'optique atomique quantique : des interférences d'ondes de matière à un test d'inégalité de Bell La mécanique quantique est une théorie qui décrit le comportement des systèmes physiques à l'échelle microscopique. Fondamentalement différente de la physique classique, elle prédit des résultats parfois contraires à l'intuition classique, et notamment le phénomène d'intrication, qui prévoit que pour un système de deux particules dites intriquées, on ne peut pas décrire chaque particule indépendamment. La mesure d'une observable physique sur une particule affecte également l'autre, quelle que soit la distance entre les particules, donnant lieu à l'observation de très fortes corrélations.Une façon de caractériser un système intriqué est de réaliser un test d'inégalité de Bell, qui consiste à mettre en évidence des corrélations si fortes qu'elles ne peuvent pas être expliquées non seulement par la théorie classique, mais par aucune théorie à variables cachées locale. Si de tels tests ont été réalisés avec des photons depuis les années 1980 avec les expériences d'Aspect à Orsay, le projet décrit dans cette thèse se propose de mettre en place un interféromètre de Bell mettant en jeu des atomes d'hélium métastables intriqués en impulsion. A partir d'atomes préparés dans un état quantique bien défini grâce au phénomène de condensation de Bose-Einstein, des paires d'atomes fortement corrélées sont émises à des impulsions différentes par le processus de mélange à quatre ondes, puis les atomes sont envoyés dans un interféromètre à deux particules et quatre modes d'impulsion. Pour cela, on utilise la diffraction de Bragg, pour transférer de l'impulsion aux atomes de façon cohérente et ainsi former des miroirs et séparatrices à atomes.Dans cette thèse, on étudie en détails la diffraction de Bragg et son influence dans la réalisation d'un interféromètre de Bell. On propose une méthode originale pour contrôler la différence de phase imprimée sur les atomes entre les deux doublets d'impulsion en jeu, en modulant temporellement l'amplitude de la pulsation de Rabi. Cette technique est également mise à profit pour façonner le profil temporel des miroirs et séparatrices Bragg afin d'améliorer leurs propriétés de réflectivité et de phase. Une étude théorique et expérimentale est réalisée pour déterminer les performances accessibles avec ces miroirs et séparatrices. De premiers tests interférométriques sont reportés (interféromètres de type Mach-Zehnder, Ramsey, Hong-Ou-Mandel), validant la technique de contrôle de phase notamment et donnant des résultats prometteurs quant à la réalisation prochaine d'un test de Bell.