Capteurs quantiques basés sur les horloges optiques et les interféromètres atomiques : physique et applications

Soizic Hello

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur le développement d'un capteur inertiel basé sur des atomes froids piégés sur une puce atomique pour la navigation inertielle. Basés sur les principes de l'interférométrie atomique, ces dispositifs exploitent les propriétés quantiques des atomes froids pour mesurer avec précision les accélérations et les rotations. La complexité expérimentale et l'encombrement de ces expériences de laboratoire constituent des obstacles majeurs pour certaines applications embarquées. A la fin des années 1990, il a été démontré la possibilité de piéger et manipuler des atomes sur des puces atomiques, rendant possible une réduction significative de la taille des capteurs à atomes froids ainsi que de leur consommation énergétique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un effort de miniaturisation et d'optimisation des capteurs quantiques, visant à démontrer la faisabilité d'une architecture compacte.Notre capteur inertiel est basé sur une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des états internes, rendant l'interféromètre sensible aux accélérations.Nous démontrons en particulier un bruit sur la mesure d'accélération de 3 mg par coup et une étude approfondie du budget de bruit de l'accéléromètre est également réalisée.En plus de la réduction de la taille du capteur lui-même avec une puce atomique, un travail est effectué sur la miniaturisation du système optique nécessaire à la préparation des faisceaux laser de l'expérience. En collaboration avec Exail, nous avons conçu un banc optique miniature d'un volume de 4,4 L permettant de refroidir les atomes dans un piège magnéto-optique 3D et promet de réduire davantage la taille des capteurs à atomes froids pour des applications embarquées.

Xavier Bouju

Soizic Hello

Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur le développement d'un capteur inertiel basé sur des atomes froids piégés sur une puce atomique pour la navigation inertielle. Basés sur les principes de l'interférométrie atomique, ces dispositifs exploitent les propriétés quantiques des atomes froids pour mesurer avec précision les accélérations et les rotations. La complexité expérimentale et l'encombrement de ces expériences de laboratoire constituent des obstacles majeurs pour certaines applications embarquées. A la fin des années 1990, il a été démontré la possibilité de piéger et manipuler des atomes sur des puces atomiques, rendant possible une réduction significative de la taille des capteurs à atomes froids ainsi que de leur consommation énergétique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un effort de miniaturisation et d'optimisation des capteurs quantiques, visant à démontrer la faisabilité d'une architecture compacte.Notre capteur inertiel est basé sur une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des états internes, rendant l'interféromètre sensible aux accélérations.Nous démontrons en particulier un bruit sur la mesure d'accélération de 3 mg par coup et une étude approfondie du budget de bruit de l'accéléromètre est également réalisée.En plus de la réduction de la taille du capteur lui-même avec une puce atomique, un travail est effectué sur la miniaturisation du système optique nécessaire à la préparation des faisceaux laser de l'expérience. En collaboration avec Exail, nous avons conçu un banc optique miniature d'un volume de 4,4 L permettant de refroidir les atomes dans un piège magnéto-optique 3D et promet de réduire davantage la taille des capteurs à atomes froids pour des applications embarquées.

Arnaud Landragin

Audrey Dot, Kamel Bencheikh, Benoı̂t Boulanger +3 more

Chen-Hao Feng

Développement d’un interféromètre atomique avec atomes de 88Sr L'interférométrie atomique est une technologie quantique en pleine maturité qui fournit l'une des approches les plus précises pour explorer la physique fondamentale, par exemple pour rechercher la matière noire, et un jour pour observer les ondes gravitationnelles dans la gamme de fréquences de 10 mHz à 10 Hz. Les interféromètres atomiques standard utilisent des transitions à deux photons de Bragg ou de Raman pour la manipulation cohérente des ondes de matière. Dans une configuration de Michelson pour la détection des ondes gravitationnelles à l'aide d'atomes, deux bras orthogonaux sont utilisés. Deux bras orthogonaux sont construits pour rejeter le bruit du laser, de la même manière que les interféromètres optiques. Les interféromètres atomiques qui utilisent une transition d'horloge optique pour la manipulation cohérente sont moins affectés par le bruit technique du laser et, par conséquent, les détecteurs à ligne de base unique deviennent plus efficaces. Les détecteurs à ligne de base unique deviennent réalisables.Au LP2N, nous construisons un gradiomètre verticale du champ de gravité sur l'interférométrie atomique en utilisant des atomes de strontium sondés sur une transition d'horloge. Le dispositif expérimental final mettra en œuvre une fontaine atomique de 6 mètres de haut pour réaliser la gradiométrie avec deux ou plusieurs nuages atomiques séparés.Dans ma thèse, je présente la réalisation du dispositif expérimental dans tous ses sous-systèmes, et les premières expériences avec des atomes à une temperature autour du millikelvin, obtenues avec le premier étage de refroidissement qui utilise de la lumière bleue. Le système laser pour la deuxième phase de refroidissement rouge et pour la manipulation cohérente est prêt ; entre-temps, nous avons réalisé un ralentisseur Zeeman à double fréquence qui améliore le flux atomique d'un facteur six. Nous présentons également l'étude d'un schéma original permettant d'obtenir une interaction lumière-atome pulsée et rapide dans une cavité à largeur de raie étroite en exploitant le décalage de Stark comme un commutateur à large bande passante ; cette technique pourrait ouvrir la voie à l'utilisation de cavités à largeur de raie étroite - et notamment à leur montée en puissance élevée - dans plusieurs contextes, comme l'interférométrie atomique et l'information quantique.