Pile logicielle complète pour contrôler les ordinateurs quantiques et simulateurs d'atomes de Rydberg ultra-froids Dans cette étude, je relève le défi de contrôler les ordinateurs quantiques et les simulateurs basés sur les architectures d'atomes de Rydberg ultra-froids. Deux conceptions matérielles sont explorées: les atomes individuels et les petites ensembles atomiques, utilisant le Potassium-39(39K). Je détaille de nouveaux protocoles de portes quantiques, y compris celui pour l'interaction dipolaire de Rydberg. Des méthodes expérimentales pour préparer des états quantiques et réaliser une manipulation globale cohérente sont présentées, avec des configurations avancées utilisant le pompage optique et les champs micro-ondes spatiaux modulés.De plus, je présente la Boîte à Outils de Traitement de l'Information Quantique Atomique (AQiPT),une architecture logicielle basée sur Python. AQiPT abstrait le matériel, les logiciels et les systèmes quantiques, permettant une programmation complète et un accès transparent à la surveillance, à la gestion des données et aux simulations liées. Ces contributions posent les bases pour une plateforme d'atomes de Rydberg ultra-froids à pile complète, aider à jeter les bases une nouvelle ère pour l'informatique quantique et la simulation numérique.
Pile logicielle complète pour contrôler les ordinateurs quantiques et simulateurs d'atomes de Rydberg ultra-froids Dans cette étude, je relève le défi de contrôler les ordinateurs quantiques et les simulateurs basés sur les architectures d'atomes de Rydberg ultra-froids. Deux conceptions matérielles sont explorées: les atomes individuels et les petites ensembles atomiques, utilisant le Potassium-39(39K). Je détaille de nouveaux protocoles de portes quantiques, y compris celui pour l'interaction dipolaire de Rydberg. Des méthodes expérimentales pour préparer des états quantiques et réaliser une manipulation globale cohérente sont présentées, avec des configurations avancées utilisant le pompage optique et les champs micro-ondes spatiaux modulés.De plus, je présente la Boîte à Outils de Traitement de l'Information Quantique Atomique (AQiPT),une architecture logicielle basée sur Python. AQiPT abstrait le matériel, les logiciels et les systèmes quantiques, permettant une programmation complète et un accès transparent à la surveillance, à la gestion des données et aux simulations liées. Ces contributions posent les bases pour une plateforme d'atomes de Rydberg ultra-froids à pile complète, aider à jeter les bases une nouvelle ère pour l'informatique quantique et la simulation numérique.
Étude de l'interaction dipolaire entre atomes de Rydberg : vers la simulation quantique de chaînes de spin La simulation quantique offre un moyen très prometteur pour comprendre les systèmes quantiques corrélés macroscopiques. De nombreuses plateformes expérimentales sont en cours d'élaboration. Les atomes de Rydberg sont particulièrement intéressants grâce à leur forte interaction dipolaire de cours portée. Dans notre manip, nous préparons et manipulons des ensembles d'atomes de Rydberg excités à partir d'un nuage atomique ultra-froid piégé magnétiquement sur une puce à atome supraconductrice. La dynamique de l'excitation est contrôlée par le processus d'excitation du laser. Le spectre d'énergie d'interaction atomique des N corps est mesuré directment par spectroscopie micro-onde. Dans cette thèse, nous développons un modèle Monte Carlo rigoureux qui nous éclaire sur le processus d'excitation. En utilisant ce modèle, nous discutons de la possibilité de réaliser des simulations quantiques du transport d'énergie sur une chaîne 1D d'atomes de Rydberg de faible moment angulaire. De plus, nous proposons une plateforme innovante pour la réalisation de simulations quantiques. Elle repose sur une approche révolutionnaire basée sur un ensemble d'atomes de Rydberg dont le temps de vie est extrêmement long, qui interagissent fortement et qui sont piégés par laser. Nous présentons les résultats de simulations numériques et nous discutons du large éventail de problèmes qui peuvent être traités avec le modèle proposé.
Des atomes froids dans des réseaux de pinces optiques sont apparus comme l'un des plates-formes les plus polyvalentes pour la physique quantique à N-corps, la simulation et l'informatique quantiques. Dans cette thèse, je rapporte un moyen de réaliser des réseaux de pièges optiques occupés uniformément, de tailles bien supérieures à ~200 sites, en utilisant des collisions élastiques par opposition aux collisions inélastiques assistées par la lumière et je fais progresser considérablement la faisabilité des qubits basés sur des ensembles atomiques piégés. Nous démontrons, pour la première fois, des réseaux polyvalents entièrement remplis d'ensembles atomiques de plus de 400 pièges optiques préparés à l'aide d'une matrice de micro-miroirs, où piège microscopiques contient ~60 atomes, un nombre d'atomes élevé et des fluctuations étonnamment faibles du nombre d'atomes. En utilisant des atomes de Rydberg en forte interaction, j'étudie la dynamique d'excitation de Rydberg et les interactions à longue distance dans les grands réseaux d'ensembles atomiques. Cela ouvre la voie à la réalisation de simulateurs quantiques basés sur des ensembles atomiques.
La simulation quantique offre un moyen très prometteur pour comprendre les systèmes quantiques corrélés macroscopiques. De nombreuses plateformes expérimentales sont en cours d'élaboration. Les atomes de Rydberg sont particulièrement intéressants grâce à leur forte interaction dipolaire de cours portée. Dans notre manip, nous préparons et manipulons des ensembles d'atomes de Rydberg excités à partir d'un nuage atomique ultra-froid piégé magnétiquement sur une puce à atome supraconductrice. La dynamique de l'excitation est contrôlée par le processus d'excitation du laser. Le spectre d'énergie d'interaction atomique des N corps est mesuré directment par spectroscopie micro-onde. Dans cette thèse, nous développons un modèle Monte Carlo rigoureux qui nous éclaire sur le processus d'excitation. En utilisant ce modèle, nous discutons de la possibilité de réaliser des simulations quantiques du transport d'énergie sur une chaîne 1D d'atomes de Rydberg de faible moment angulaire. De plus, nous proposons une plateforme innovante pour la réalisation de simulations quantiques. Elle repose sur une approche révolutionnaire basée sur un ensemble d'atomes de Rydberg dont le temps de vie est extrêmement long, qui interagissent fortement et qui sont piégés par laser. Nous présentons les résultats de simulations numériques et nous discutons du large éventail de problèmes qui peuvent être traités avec le modèle proposé.
Quantum simulation of spin models with large arrays of Rydberg atoms Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale prometteuse pour la simulation quantique de modèles de spins. Lors de cette thèse, nous avons d’abord perfectionné la plateforme en augmentant le nombre d’atomes manipulables d’une quarantaine à environ deux cents, et en améliorant d’un facteur dix la cohérence quantique du système. Nous avons ensuite revisité le modèle d’Ising en excitant de manière cohérente plus d’une centaine d’atomes depuis leur état électronique fondamental vers un niveau de Rydberg. Les simulations numériques de l’évolution de notre système sont difficiles à réaliser compte tenu du nombre de particules, ce qui signifie que l’exploration numérique du modèle d’Ising est limitée. Nous avons utilisé ce fait à notre avantage pour explorer avec notre simulateur quantique des phénomènes comme les transitions de phase quantiques, ou la recherche des états fondamentaux du système. Cela rapproche la plateforme de son but originel : il s‘agit d’un nouveau moyen d’étudier des systèmes complexes pour lesquels les simulations numériques sont limitées. Nous avons ensuite utilisé un autre régime d’interaction entre atomes de Rydberg pour implémenter de nouveaux modèles de spins permettant d’étudier une grande variété de phénomènes physiques. Nous nous sommes d’abord penchés sur la réalisation d’une interaction à valeur complexe en utilisant le couplage spin-orbite intrinsèque à l’interaction dipôle-dipôle. Cette interaction simule le mouvement d’une particule chargée dans un champ magnétique et permet d’étudier les propriétés topologiques de la matière comme l’effet Hall quantique. Nous avons ensuite implémenté le modèle d’Heisenberg avec une anisotropie programmable, en combinant l’interaction dipolaire résonante avec un champ micro-ondes externe. Ce modèle, très présent dans la description des matériaux magnétiques, permet aussi d’étudier des phénomènes comme la supraconductivité, la superfluidité ou la supersolidité.
Préparation et excitation Rydberg de grandes des réseaux d'ensembles atomiques microscopiques Des atomes froids dans des réseaux de pinces optiques sont apparus comme l'un des plates-formes les plus polyvalentes pour la physique quantique à N-corps, la simulation et l'informatique quantiques. Dans cette thèse, je rapporte un moyen de réaliser des réseaux de pièges optiques occupés uniformément, de tailles bien supérieures à ~200 sites, en utilisant des collisions élastiques par opposition aux collisions inélastiques assistées par la lumière et je fais progresser considérablement la faisabilité des qubits basés sur des ensembles atomiques piégés. Nous démontrons, pour la première fois, des réseaux polyvalents entièrement remplis d'ensembles atomiques de plus de 400 pièges optiques préparés à l'aide d'une matrice de micro-miroirs, où piège microscopiques contient ~60 atomes, un nombre d'atomes élevé et des fluctuations étonnamment faibles du nombre d'atomes. En utilisant des atomes de Rydberg en forte interaction, j'étudie la dynamique d'excitation de Rydberg et les interactions à longue distance dans les grands réseaux d'ensembles atomiques. Cela ouvre la voie à la réalisation de simulateurs quantiques basés sur des ensembles atomiques.
Transport d’atomes ultra-froids et couplage à des surfaces nano-structurées L'entrée dans le nouveau millénaire a été marquée dans la communauté quantique par les premières réalisations expérimentales de la condensation de Bose-Einstein d'atomes dans un gaz, obtenues par différents groupes de recherche. Vingt-cinq années plus tard, de tels systèmes sont produits régulièrement et sont au cœur de nombreuses expériences. À la frontière entre la théorie de la matière condensée, l'optique quantique et la physique atomique, l'étude des atomes ultra-froids est un sujet scientifiquement très prometteur.Un gaz ultra-froid peut être piégé dans des réseaux optiques, offrant ainsi un moyen réaliste de mettre expérimentalement en place une nouvelle gamme d'Hamiltonien périodiques, utilisés pour simuler la matière condensée. Dans de telles simulations, des atomes ultra-froids imitent le comportement des électrons dans un matériau à l'état solide et pourraient être utilisés pour simuler une large gamme de phénomènes complexes en matière condensée, tels que l'effet Hall quantique fractionnaire, les isolants topologiques et la supraconductivité à température ambiante.Afin d'étudier de tels systèmes, des microscopes à gaz quantiques, limités par la diffraction, ont émergé comme un moyen de manipuler et de détecter les atomes piégés dans des potentiels périodiques. Utilisant l'interférence en champ lointain, les expériences ont principalement été limitées à des réseaux ayant des périodes proche de 500 nm, ce qui limite la vitesse de la dynamique des processus physiques étudiés. Les régimes d'énergie plus élevés pourraient être atteints en réduisant la période du réseau.Pour ce faire, l'un des objectifs à long terme de l'équipe est de piéger des atomes dans le champ proche d'une surface et d'utiliser les forces de Casimir-Polder pour façonner des potentiels sub-longueur d'onde. Grâce aux capacités de nano-fabrication, l'espacement entre les sites peut être réduit à quelques dizaines de nanomètres. Cependant, cela nécessite d'adapter les techniques d'imagerie pour observer les atomes avec des résolutions spatiales sub-longueur d'onde.Dans ce manuscrit de thèse, je rapporte dans un premier temps les avancées vers la mise en place d'une puce atomique sur l'expérience AUFRONS, qui servira de plateforme pour manipuler le gaz quantique. Je présente des simulations numériques et étudie une solution expérimentale permettant de transporter le nuage jusqu'au champ proche. La méthode est basée sur l'interférence d'un rayonnement laser dans le champ proche d'une surface en rotation. Celle-ci a été entièrement simulée et les limites ont été évaluées numériquement et expérimentalement. Je conclus cette partie en présentant le premier modèle de puce qui a été fabriqué.Dans une seconde partie, je détaille le développement d'une méthode d'imagerie sub-longueur d'onde d'atomes ultra-froids de Rubidium 87 basée sur l'habillage des états excités. J’approfondis le concept de cette méthode atteignant des résolutions spatiales nanométriques et l'applique pour résoudre la fonction d'onde de taille inférieur à 30 nm, piégée dans un site unique d'un réseau optique.