Ce travail porte sur la description theorique de systemes couples atome-cavite dans les domaines optique et microonde. L'etude est consacree au regime de couplage fort ou a la correlation quantique entre les atomes et le champ electromagnetique. Dans la premiere partie, ce memoire presente la theorie d'un microlaser fonctionnant dans le regime de couplage fort entre milieu actif et mode laser. Les equations de taux tenant compte de l'emission spontanee dans le mode sont obtenues analytiquement, ce qui permet d'identifier l'approximation essentielle dans cette approche usuelle. Ensuite, des solutions approchees aux equations de heisenberg-langevin sont derivees par une nouvelle methode. Les expressions analytiques permettent de definir de facon rigoureuse la notion de laser sans seuil et d'analyser la transition du regime domine par l'emission spontanee au regime ou l'emission stimulee devient preponderante. Enfin, on presente une nouvelle methode pour la simulation numerique efficace des equations operatorielles. Ces modeles sont finalement compares en calculant les caracteristiques (puissance de sortie, largeur de raie) d'un laser a microsphere dopee au neodyme. Dans la deuxieme partie, plusieurs experiences menees sur des atomes de rydberg circulaires et sur une cavite microonde de grande surtension sont abordees. Le couplage fort entre l'atome et le champ donne lieu a des correlations quantiques non separables qui sont a la base des phenomenes inherents a la mecanique quantique. La generation de la superposition des etats macroscopiquement discernables, dits chat de schrodinger, et l'observation de la decoherence sont d'abord considerees. La manipulation coherente des systemes intriques ouvre la voie a des applications diverses de la mecanique quantique dans le traitement de l'information. Dans cette optique, on etudie la realisation d'une porte logique quantique. Enfin, une nouvelle methode est proposee pour engendrer un etat de fock dans la cavite.
Ce travail porte sur la description theorique de systemes couples atome-cavite dans les domaines optique et microonde. L'etude est consacree au regime de couplage fort ou a la correlation quantique entre les atomes et le champ electromagnetique. Dans la premiere partie, ce memoire presente la theorie d'un microlaser fonctionnant dans le regime de couplage fort entre milieu actif et mode laser. Les equations de taux tenant compte de l'emission spontanee dans le mode sont obtenues analytiquement, ce qui permet d'identifier l'approximation essentielle dans cette approche usuelle. Ensuite, des solutions approchees aux equations de heisenberg-langevin sont derivees par une nouvelle methode. Les expressions analytiques permettent de definir de facon rigoureuse la notion de laser sans seuil et d'analyser la transition du regime domine par l'emission spontanee au regime ou l'emission stimulee devient preponderante. Enfin, on presente une nouvelle methode pour la simulation numerique efficace des equations operatorielles. Ces modeles sont finalement compares en calculant les caracteristiques (puissance de sortie, largeur de raie) d'un laser a microsphere dopee au neodyme. Dans la deuxieme partie, plusieurs experiences menees sur des atomes de rydberg circulaires et sur une cavite microonde de grande surtension sont abordees. Le couplage fort entre l'atome et le champ donne lieu a des correlations quantiques non separables qui sont a la base des phenomenes inherents a la mecanique quantique. La generation de la superposition des etats macroscopiquement discernables, dits chat de schrodinger, et l'observation de la decoherence sont d'abord considerees. La manipulation coherente des systemes intriques ouvre la voie a des applications diverses de la mecanique quantique dans le traitement de l'information. Dans cette optique, on etudie la realisation d'une porte logique quantique. Enfin, une nouvelle methode est proposee pour engendrer un etat de fock dans la cavite.
Dans le domaine micro-onde, deux niveaux de Rydberg voisins d'un atome alcalin, d'une part, et le champ électromagnétique confiné dans une cavité supraconductrice de très haute surtension, d'autre part, échangent de manière cohérente un quantum d'énergie lorsqu'ils sont à résonance. Une telle situation est conceptuellement la plus simple dans laquelle le couplage matière-rayonnement se manifeste à l'échelle élémentaire. Ce mémoire présente une mise en évidence expérimentale de cette interaction, dans une situation où l'évolution cohérente atome-champ domine les processus dissipatifs. Le couplage atome-champ est d'abord décrit théoriquement (dans un point de vue classique puis quantique), ainsi que des expériences permettant de le mettre en évidence. Ensuite, une expérience de spectroscopie des premiers états excités du système {atome + cavité} est exposée. Elle a permis d'accéder à la fréquence avec laquelle un échantillon de trois atomes et un mode résonnant du champ échangent leur énergie. Enfin, un nouveau montage expérimental est présenté. Il possède une résolution spectrale très élevée grâce à l'utilisation de la technique du champ oscillant séparé de Ramsey, et doit permettre l'observation, dans le domaine micro-onde, du couplage élémentaire entre un seul atome à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique, cette observation pouvant se faire aussi bien spectralement que temporellement. La réalisation d'un montage expérimental aussi sensible, et dans lequel les amortissements de l'atome-et de la cavité sont rendus négligeables, ouvre également la voie à des tests subtils de la Mécanique Quantique (mesures sans démolition, chats de Schrödinger, etc.) mettant en jeu une interaction atome-champ non résonnante.
L'intrication procede directement des postulats de la mecanique quantique. Pourtant elle demeure l'un de ses concepts les plus debattus. C'est sur cette prediction que la completude de la theorie fut remise en question. Bien que des experiences aient tranche, le debat porte encore sur l'interpretation des phenomenes. Un systeme modele constitue d'atomes de rydberg circulaires a deux niveaux traversant le mode d'une cavite micro-onde de grand facteur de surtension nous permet de tester les fondements de la mecanique quantique. L'interaction de ces deux sous-systemes peut etre resonnante ou dispersive. Une premiere serie d'experiences met en evidence le transfert d'une excitation d'un premier atome a un second par l'intermediaire de la cavite. De facon similaire, la coherence d'un atome est transferee. Utilisant l'interaction resonnante atome-champ, ces experiences sont preliminaires a l'intrication de deux atomes : si un atome est intrique avec le champ de la cavite, alors c'est l'intrication qui peut etre transferee du champ a un second atome. Dans une deuxieme serie, nous generons et detectons ainsi des paires einstein-podolsky-rosen d'atomes intriques, contrepartie materielle des experiences menees avec des photons. La troisieme serie part de l'interaction dispersive au cours de laquelle un atome est intrique a un champ coherent mesoscopique stocke dans la cavite. L'atome traversant la cavite dans une superposition de deux etats atomiques, l'etat du systeme resultant implique deux champs de phases differentes. Nous avons pu pour la premiere fois etudier la dynamique de la decoherence sur cette aiguille mesoscopique. Nous modelisons ici le phenomene en suivant deux approches. L'evolution du systeme est etudiee par l'intermediaire de la fonction caracteristique puis a travers le couplage avec l'environnement. L'excellent accord entre les resultats de ces trois series d'experiences et les predictions de la mecanique quantique confirme l'exactitude de la theorie.
Cette thèse porte sur les effets d'optique quantique avec des atomes artificiels semiconducteurs. Dans un premiers temps, on fait une étude théorique où un émetteur unique est couplé à un guide d'onde unidimensionnel. Ce système permets la propagation libre de la lumière en préservent la sensitivité au niveau d'un photon unique, ce que a motivé des propositions pour faire des portes logiques et des transistors au photon unique. Un schéma pour observer l'émission stimulée au niveau d'un photon unique dans cet environnement unidimensionnel est proposé, en utilisant un émetteur excité (e.g. une boîte quantique) et une pompage classique (laser). On montre que l'émission se produit dans le mode stimulée et que la population atomique fait des oscillations de Rabi classiques. Ensuite, la dynamique complètement quantique est décrite, où un paquet avec un seul photon interagit avec l'atome initialement excité. Dans cette nouvelle condition, la stimulation est irréversible, i.e., les populations atomiques ne réalisent pas des oscillations. Cet effet est optimal dans le cas où le paquet est trois fois plus court qu'un paquet spontanément émis par le même atome. On démontre comment utiliser l'émission stimulée irréversible optimale pour produire des clones quantiques universels. Le même dispositif peut être utilisé aussi bien pour produire des paires des photons complètement intriqués, si le paquet du photon initial est suffisamment étendu. Dans un deuxième moment, nous nous sommes intéressés aussi au spectre d'émission spontanée d'une boîte quantique semiconductrice en couplage faible avec une microcavité. Ce système mets en évidence l'effet d'alimentation de la cavité, où la boîte émet spontanément à la fréquence de la cavité, même si cela est bien désaccordé. L'influence des phonons pour le mécanisme d'alimentation de la cavité est analysée. Une importante distorsion du spectre apparent de la cavité, induit pour la présence des phonons, est démontrée. Les effets étudiés sont topiques et peuvent être implémenté avec des dispositifs semiconducteurs de l'état de l'art.
Notre dispositif d'électrodynamique quantique en cavité permet de faire interagir dans le régime de couplage fort deux systèmes simples et parfaitement contrôlés : des atomes à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique. Des miroirs supraconducteurs permettent de stocker le champ électromagnétique micro-onde dans une cavité pendant plus d'un dixième de seconde. Afin de sonder et de manipuler le champ piégé, nous utilisons des atomes de Rubidium excités dans les états de Rydberg circulaires. Les atomes interagissent un à un avec la cavité dans le régime dispersif. Ils se comportent alors comme de petites horloges dont la fréquence est affectée par les photons piégés grâce au phénomène de déplacement lumineux. Les petites modifications de la phase atomique après la traversée du mode sont mesurées par interférométrie de Ramsey, permettant de compter le nombre de photons piégés. En adaptant légèrement la méthode, on parvient à reconstruire complètement la matrice densité du champ piégé. Cette technique a été appliquée à différents états non-classiques du champ : des états de Fock, dont le nombre de photons est parfaitement déterminé, et des états chat de Schrödinger. Ces derniers sont formés de la superposition quantique de deux champs classiques de phases différentes. En répétant la procédure de reconstruction pour plusieurs délais successifs après la préparation, on obtient un film image par image de l'évolution temporelle de l'état. L'étude de l'évolution de l'état chat de Schrödinger sous l'effet de la décohérence apporte un éclairage intéressant sur le problème de la mesure en mécanique quantique et la frontière entre les mondes classique et quantique.
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.
Nous présentons ici la réalisation d'une dynamique quantique conditionnelle et la préparation d'un état intriqué à trois systèmes quantiques dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. Nous couplons des atomes, préparés dans un état de Rydberg circulaire, au mode d'une cavité de très haute surtension, préparé dans l'état vide. A résonance, un échange réversible et cohérent d'un quantum d'excitation entre l'atome et le champ a lieu : l'oscillation de Rabi quantique. En fixant le temps d'interaction à un cycle complet d'absorption et d'émission, nous obtenons une dynamique conditionnelle : la phase quantique de l'état atome--champ change si le mode contient un photon et si l'état atomique est couplé au mode. En revanche, si le mode ne contient pas de photon ou si l'état atomique n'est pas couplé, la phase reste inchangée. Nous démontrons ce changement de phase et nous faisons varier sa valeur en désaccordant la fréquence du mode par rapport à la transition atomique. De plus, nous vérifions que la dynamique préserve la cohérence des sous-systèmes, menant ainsi à un état intriqué si les deux sont initialement préparés dans des superpositions d'états. Nous interprétons le processus en termes d'une porte logique quantique et nous analysons ses limitations. Dans une deuxième expérience, nous préparons et analysons un état intriqué entre deux atomes et le champ en effectuant des opérations successives et réversibles. Le premier atome est intriqué avec le champ en interagissant avec ce dernier pendant un quart d'oscillation de Rabi. Le deuxième atome effectue ensuite, comme dans la première expérience, une oscillation de Rabi complète. Etant préparé dans une superposition de l'état couplé et de l'état non-couplé, il s'intrique également avec le champ, et donc avec le premier atome. Des mesures dans deux bases orthogonales sont effectuées sur l'état intriqué à trois systèmes résultant. Une analyse des signaux expérimentaux est présentée, confirmant que l'état préparé n'est effectivement pas séparable. Nous discutons des perspectives ouvertes par ces expériences pour le traitement quantique de l'information.