Les puces a atomes sont des outils polyvalents pour la manipulation d'atomes froids avec des champs magnetiques crees par des microstructures. Cependant, on observe de fortes pertes d'atomes dans de tels pieges a cause du retournement de spin, engendrees par des fluctuations radio-frequence du champ magnetique lorsque les atomes sont proches de la surface. Ces fluctuations viennent du bruit Johnson-Nyquist dans des structures metalliques. Dans notre experience, nous observons un tres long temps de vie des atomes loin de la puce dans un environnement cryogenique du au vide residuel obtenu par pompage cryogenique. Pourtant, a une distance de quelques dizaines de microns, le temps de vie reste limite par le bruit Johnson-Nyquist. Une solution pour ce probleme est l'utilisation d'un environnement purement supraconducteur, meme dans le cas realiste d'une puce supraconductrice de type II comprenant des vortex. Nous observons en outre que le supraconducteur influence le potentiel de piegeage, demontrant la presence de courants permanents a l'echelle micrometrique. Nous sommes capables d'induire ces courants a la demande avec la possibilite de realiser des pieges complexes. Une puce cryogenique peut egalement pieger des atomes fortement excites (atomes de Rydberg) possedant un tres grand moment dipolaire qui pourrait etre couple a des dispositifs quantiques mesoscopiques. Dans ce but, nous avons adapte l'experience a l'excitation d'atomes de Rydberg. Les premiers spectres montrent que le champ electrique parasite au voisinage de la puce est suffisamment faible pour une future excitation d'un atome unique a la demande par blocage dipolaire.
Les puces a atomes sont des outils polyvalents pour la manipulation d'atomes froids avec des champs magnetiques crees par des microstructures. Cependant, on observe de fortes pertes d'atomes dans de tels pieges a cause du retournement de spin, engendrees par des fluctuations radio-frequence du champ magnetique lorsque les atomes sont proches de la surface. Ces fluctuations viennent du bruit Johnson-Nyquist dans des structures metalliques. Dans notre experience, nous observons un tres long temps de vie des atomes loin de la puce dans un environnement cryogenique du au vide residuel obtenu par pompage cryogenique. Pourtant, a une distance de quelques dizaines de microns, le temps de vie reste limite par le bruit Johnson-Nyquist. Une solution pour ce probleme est l'utilisation d'un environnement purement supraconducteur, meme dans le cas realiste d'une puce supraconductrice de type II comprenant des vortex. Nous observons en outre que le supraconducteur influence le potentiel de piegeage, demontrant la presence de courants permanents a l'echelle micrometrique. Nous sommes capables d'induire ces courants a la demande avec la possibilite de realiser des pieges complexes. Une puce cryogenique peut egalement pieger des atomes fortement excites (atomes de Rydberg) possedant un tres grand moment dipolaire qui pourrait etre couple a des dispositifs quantiques mesoscopiques. Dans ce but, nous avons adapte l'experience a l'excitation d'atomes de Rydberg. Les premiers spectres montrent que le champ electrique parasite au voisinage de la puce est suffisamment faible pour une future excitation d'un atome unique a la demande par blocage dipolaire.
Le but des expériences de puces à atomes est la réalisation de micropièges magnétiques et la manipulation très précise d'un nuage d'atomes dont la température est abaissée à quelques microkelvins. De tels pièges peuvent être obtenus en utilisant par exemple le champ magnétique créé par des courants portés par des pistes conductrices de taille micrométrique lithographiées sur un substrat. La présence de la surface de la puce à quelques dizaines de micromètres du nuage atomique peut toutefois se révéler gênante pour le piégeage. Les fluctuations du champ magnétique induites par le bruit de courant dans la puce engendrent des pertes et diminuent le temps de vie dans le piège. Ce bruit est dû à la résistivité finie du métal utilisé pour réaliser la puce (bruit de Johnson-Nyquist). Des modèles théoriques présentés dans cette thèse laissent penser que l'utilisation de pistes supraconductrices pourrait réduire ces pertes. L'effet du réseau de vortex présent dans le supraconducteur sur le champ magnétique proche de la surface est également étudié. Nous décrivons par la suite le dispositif cryogénique et la séquence expérimentale qui nous ont permis d'observer le premier piège magnétique sur puce supraconductrice. Le temps de vie dans ce piège à 440 micromètres de la surface avoisine deux minutes ce qui est très prometteur. Nous présentons enfin l'étape de refroidissement du nuage jusqu'à l'obtention d'un condensat de Bose-Einstein.
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.
Les atomes individuels piégés dans des pinces optiques constituent une plateforme prometteuse pour la réalisation de simulations quantiques. Dans l'approche analogique, les interactions entre les atomes excités vers des états de Rydberg permettent de reproduire le comportement d'un système quantique que l'on souhaite étudier et pour lequel les ressources en simulation d'un ordinateur classique deviennent rapidement limitées. Une autre approche, dite de simulation digitale, vise quant à elle à directement utiliser les atomes comme briques de base pour implémenter des portes quantiques, ouvrant le champ à de nouveaux algorithmes pouvant offrir un avantage en complexité sur certains problèmes. L'un des défis majeurs pour développer cette technologie est le passage à l'échelle du nombre d'atomes contrôlés, de quelques centaines à plusieurs milliers. La mise en place d'une expérience en environnement cryogénique est une solution possible à ce problème, en permettant d'augmenter considérablement la durée de vie des atomes dans les pinces optiques et donc le temps effectif pendant lequel ils peuvent être manipulés sans perte. Un autre avantage apporté par un système cryogénique est l'augmentation du temps de cohérence des atomes de Rydberg en réduisant le rayonnement du corps noir, qui peut introduire des transitions non désirées pendant le calcul quantique. Durant ma thèse, nous avons repris la plateforme cryogénique développée par Kai-Niklas Schymik dans laquelle un temps de vie de ∼ 6000 s d'un atome dans une pince a été mesuré mais pour laquelle le système optique intégré à 4 K ne permettait pas de générer de grandes matrices de pièges. Nous avons donc modifié le système optique sous vide pour intégrer des objectifs de microscope permettant une meilleure qualité optique dans le champ transverse pour la création de pièges. Dans ce manuscrit, nous évoquons les complications liées à la combinaison d'objectifs à haute ouverture numérique avec un système cryogénique. Une première itération de design a permis la génération d'un grand nombre de pièges (∼ 2000) dans un environnement partiellement cryogénique, mais sans pour autant conserver des durées de vie élevées des atomes dans les pinces. Ces derniers valaient au mieux ∼ 800 s puis se dégradaient au bout de quelques jours vers quelques dizaines de secondes. L'étude de ce système nous a permis de finalement mieux comprendre les mécanismes en jeux dans une cryopompe et de construire un nouveau cœur optique offrant à la fois une haute performance en termes de niveau de vide (∼ 5000 s de temps de vie) et en termes du nombre de pièges optiques pouvant être générés (> 2000). De premiers résultats ont permis de démontrer dans ce nouveau système l'assemblage avec une unique pince mobile de 1024 atomes uniques avec une fidélité élevée (dans ∼ 10 % des cas sans aucun défaut). L'utilisation d'une telle plateforme cryogénique de pair avec le développement de nouvelles techniques d'assemblage ouvre la voie à des avancées majeures en matière de passage à l'échelle pour une technologie quantique.
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.
Les atomes individuels piégés dans des pinces optiques constituent une plateforme prometteuse pour la réalisation de simulations quantiques. Dans l'approche analogique, les interactions entre les atomes excités vers des états de Rydberg permettent de reproduire le comportement d'un système quantique que l'on souhaite étudier et pour lequel les ressources en simulation d'un ordinateur classique deviennent rapidement limitées. Une autre approche, dite de simulation digitale, vise quant à elle à directement utiliser les atomes comme briques de base pour implémenter des portes quantiques, ouvrant le champ à de nouveaux algorithmes pouvant offrir un avantage en complexité sur certains problèmes. L'un des défis majeurs pour développer cette technologie est le passage à l'échelle du nombre d'atomes contrôlés, de quelques centaines à plusieurs milliers. La mise en place d'une expérience en environnement cryogénique est une solution possible à ce problème, en permettant d'augmenter considérablement la durée de vie des atomes dans les pinces optiques et donc le temps effectif pendant lequel ils peuvent être manipulés sans perte. Un autre avantage apporté par un système cryogénique est l'augmentation du temps de cohérence des atomes de Rydberg en réduisant le rayonnement du corps noir, qui peut introduire des transitions non désirées pendant le calcul quantique. Durant ma thèse, nous avons repris la plateforme cryogénique développée par Kai-Niklas Schymik dans laquelle un temps de vie de ∼ 6000 s d'un atome dans une pince a été mesuré mais pour laquelle le système optique intégré à 4 K ne permettait pas de générer de grandes matrices de pièges. Nous avons donc modifié le système optique sous vide pour intégrer des objectifs de microscope permettant une meilleure qualité optique dans le champ transverse pour la création de pièges. Dans ce manuscrit, nous évoquons les complications liées à la combinaison d'objectifs à haute ouverture numérique avec un système cryogénique. Une première itération de design a permis la génération d'un grand nombre de pièges (∼ 2000) dans un environnement partiellement cryogénique, mais sans pour autant conserver des durées de vie élevées des atomes dans les pinces. Ces derniers valaient au mieux ∼ 800 s puis se dégradaient au bout de quelques jours vers quelques dizaines de secondes. L'étude de ce système nous a permis de finalement mieux comprendre les mécanismes en jeux dans une cryopompe et de construire un nouveau cœur optique offrant à la fois une haute performance en termes de niveau de vide (∼ 5000 s de temps de vie) et en termes du nombre de pièges optiques pouvant être générés (> 2000). De premiers résultats ont permis de démontrer dans ce nouveau système l'assemblage avec une unique pince mobile de 1024 atomes uniques avec une fidélité élevée (dans ∼ 10 % des cas sans aucun défaut). L'utilisation d'une telle plateforme cryogénique de pair avec le développement de nouvelles techniques d'assemblage ouvre la voie à des avancées majeures en matière de passage à l'échelle pour une technologie quantique.
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.