Couplage fort entre le mode d’une cavité fibrée et un réseau d’atomes commensurable : un nouveau dispositif pour l’intrication multi-particule avec contrôle sur les atomes individuels La création d’états intriqués avec un grand nombre de particules contrôlables individuellement est un thème majeur de la physique quantique expérimentale moderne. Dans cette perspective, nous présentons un nouveau dispositif qui combine deux ingrédients principaux : le couplage collectif d’atomes froids de rubidium à une cavité optique et le contrôle individuel de chaque particule à travers un microscope à haute résolution. Au cœur de ce nouveau système, il y a une cavité Fabry-Perot fibrée qui permet d’atteindre le régime de couplage fort de l’Electrodynamique Quantique en Cavité. En plus du champ sonde, un deuxième mode de cavité avec une longueur d’onde double crée un potentiel périodique visant à coupler de manière identique et maximale les atomes à la cavité. Nous décrivons des méthodes pour caractériser et optimiser le recouvrement spatial entre les deux ondes stationnaires en cavité. Les techniques pour combiner la cavité fibrée à un objectif de grande ouverture numérique sont aussi détaillées. Pour transporter les atomes froids de la région de capture à la cavité fibrée, un système fondé sur un piège dipolaire et un déflecteur acoustooptique a été développé, permettant d’atteindre un chargement rapide et efficace de la cavité. En combinant ces éléments, il a été possible d’observer le couplage fort entre les atomes et la cavité à travers des mesures du dédoublement de Rabi du vide. Cela constitue une étape essentielle vers la génération d’états intriqués avec ce dispositif expérimental, pour lequel la combinaison d’opérations collectives (à travers la cavité) et locales (grâce au microscope) sur les qubits atomiques est une voie prometteuse pour la réalisation de nouveaux schémas d’intrication.
Couplage fort entre le mode d’une cavité fibrée et un réseau d’atomes commensurable : un nouveau dispositif pour l’intrication multi-particule avec contrôle sur les atomes individuels La création d’états intriqués avec un grand nombre de particules contrôlables individuellement est un thème majeur de la physique quantique expérimentale moderne. Dans cette perspective, nous présentons un nouveau dispositif qui combine deux ingrédients principaux : le couplage collectif d’atomes froids de rubidium à une cavité optique et le contrôle individuel de chaque particule à travers un microscope à haute résolution. Au cœur de ce nouveau système, il y a une cavité Fabry-Perot fibrée qui permet d’atteindre le régime de couplage fort de l’Electrodynamique Quantique en Cavité. En plus du champ sonde, un deuxième mode de cavité avec une longueur d’onde double crée un potentiel périodique visant à coupler de manière identique et maximale les atomes à la cavité. Nous décrivons des méthodes pour caractériser et optimiser le recouvrement spatial entre les deux ondes stationnaires en cavité. Les techniques pour combiner la cavité fibrée à un objectif de grande ouverture numérique sont aussi détaillées. Pour transporter les atomes froids de la région de capture à la cavité fibrée, un système fondé sur un piège dipolaire et un déflecteur acoustooptique a été développé, permettant d’atteindre un chargement rapide et efficace de la cavité. En combinant ces éléments, il a été possible d’observer le couplage fort entre les atomes et la cavité à travers des mesures du dédoublement de Rabi du vide. Cela constitue une étape essentielle vers la génération d’états intriqués avec ce dispositif expérimental, pour lequel la combinaison d’opérations collectives (à travers la cavité) et locales (grâce au microscope) sur les qubits atomiques est une voie prometteuse pour la réalisation de nouveaux schémas d’intrication.
Vers un couplage fort de strontium dans une cavité en anneau miniaturisée L’étude expérimentale d’états intriqués avec un grand nombre d’atomes et de leurs applications constitue l’un des domaines les plus dynamiques de la physique atomique, moléculaire et optique moderne. De nombreuses techniques expérimentales ont émergé au cours des dernières décennies pour étudier des systèmes intriqués. Des atomes froids piégés dans le vide se sont avérés être une technique puissante pour la manipulation de ces systèmes. Parmi la grande variété de dispositifs expérimentaux dans le domaine des atomes froids, le champ de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED) permet de produire et contrôler des interactions à longue portée, ainsi que de tomographier des états quantiques via des mesures non-destructives. Cette thèse rend compte de la conception et de la construction d’un nouveau dispositif expérimental d’atomes froids permettant le refroidissement optique du strontium pour le chargement rapide et fiable d’une cavité miniaturisée. Dans ce but, un système à vide compact comprenant une source d’un jet atomique efficace a été conçu et mis en place. La caractéristique principale de cette nouvelle expérience sera l’intégration d’une cavité en anneau qui permet d’intriquer des ensembles atomiques. Outre le montage de la nouvelle expérience, un prototype d’une nouvelle génération de résonateurs en anneau a été conçu et étudié expérimentalement au cours de cette thèse. C’est la cavité en anneau la plus compacte et courte à ce jour. En outre, afin de compenser l’astigmatisme intrinsèque des cavités en anneau, une structure de miroir elliptique a été fabriquée sur une pointe de fibre, à l’aide une procédure d’usinage par tirs multiples d’un laser CO2 focalisé.
Dans le cadre de l’étude expérimentale des états quantiques intriqués de particules uniques, il est nécessaire de développer des systèmes compacts, robustes et polyvalents. Motivés par la miniaturisation, la stabilité et la flexibilité apportées par les fibres optiques, nous présentons deux expériences où les fibres optiques servent d’interfaces pour piéger des atomes uniques et collecter les photons uniques émis. Dans un premier temps, en combinant une fibre optique monomode avec une lentille asphérique, un faisceau dipolaire permet de piéger un atome de rubidium unique par blocage collisionnel. Le refroidissement et le taux de pertes par collisions assistées par la lumière dans le piège dipolaire sont augmentés via une modulation de l’intensité du faisceau dipolaire dont l’effet sur la durée de vie de l’atome est expliqué. Une source fibrée de photons uniques à la demande est obtenue avec ce dispositif, produisant des photons dans un mode spatial et temporel à priori bien défini. Dans un second temps, nous présentons la conception d’une expérience couplant optimalement une chaîne d’atomes uniques piégés à une cavité Fabry-Pérot fibrée combinée avec une lentille à forte ouverture numérique pour imager et adresser les atomes individuellement. Un dispositif d’ablation laser de précision submicrométrique est alors construit pour réaliser et analyser in situ les formes de miroirs voulues à l’extrémité des fibres optiques. Nous présentons ensuite les cavités fibrées doublement résonantes avec une biréfringence contrôlée réalisées. Nous décrivons également le système expérimental construit pour la production rapide d’un nuage d’atomes froids et leur transport vers la cavité.
L’exploration expérimentale de l’intrication quantique est un domaine de recherche très actif actuellement. Les systèmes d’électrodynamique quantique en cavité permettent notamment de générer de l’intrication dans des ensembles de plusieurs dizaines de particules, grâce à l’interaction à longue portée fournie par un mode du champ électromagnétique. Mon travail de thèse a consisté à mettre en place un nouveau dispositif expérimental afin d’assurer le chargement rapide et fiable d’une cavité optique miniaturisée à l’intérieur de laquelle l’adressage et la détection d’atomes uniques viennent s’ajouter à l’interaction collective fournie par le mode de la cavité. La tomographie quantique des états intriqués requière l’acquisition d’un grand nombre de données expérimentales, un soin tout particulier doit donc être porté quand à la stabilité et à la rapidité de répétition de l’expérience. Pour satisfaire à ces critères, un système de lasers particulièrement compacts et robustes, a été conçu et fabriqué afin d’assurer le refroidissement et l’interaction avec les atomes. Pour permettre la rapidité de répétition de l’expérience, une source de rubidium est utilisée en mode impulsionnel dans l’unique cellule à vide. Elle permet de moduler temporellement la pression atomique en fonction des besoins de l’expérience. Un chargement prompt du piège magnéto-optique est alors possible sans réduire la durée de vie des atomes dans la cavité, au moment où se déroulent les expériences. Le transport des atomes entre leur position de capture et le centre de la cavité s’effectue grâce à un piège dipolaire, déplacé selon son axe fort de confinement à l’aide d’un déflecteur acousto-optique. Cela permet un déplacement rapide, de l’ordre de la centaine de millisecondes pour une distance de 1,5 cm. Grâce à cette combinaison de techniques, ce nouveau dispositif expérimental devrait donner accès à la physique riche des systèmes intriqués à plusieurs dizaines de particules.
Dans le cadre de l’étude expérimentale des états quantiques intriqués de particules uniques, il est nécessaire de développer des systèmes compacts, robustes et polyvalents. Motivés par la miniaturisation, la stabilité et la flexibilité apportées par les fibres optiques, nous présentons deux expériences où les fibres optiques servent d’interfaces pour piéger des atomes uniques et collecter les photons uniques émis. Dans un premier temps, en combinant une fibre optique monomode avec une lentille asphérique, un faisceau dipolaire permet de piéger un atome de rubidium unique par blocage collisionnel. Le refroidissement et le taux de pertes par collisions assistées par la lumière dans le piège dipolaire sont augmentés via une modulation de l’intensité du faisceau dipolaire dont l’effet sur la durée de vie de l’atome est expliqué. Une source fibrée de photons uniques à la demande est obtenue avec ce dispositif, produisant des photons dans un mode spatial et temporel à priori bien défini. Dans un second temps, nous présentons la conception d’une expérience couplant optimalement une chaîne d’atomes uniques piégés à une cavité Fabry-Pérot fibrée combinée avec une lentille à forte ouverture numérique pour imager et adresser les atomes individuellement. Un dispositif d’ablation laser de précision submicrométrique est alors construit pour réaliser et analyser in situ les formes de miroirs voulues à l’extrémité des fibres optiques. Nous présentons ensuite les cavités fibrées doublement résonantes avec une biréfringence contrôlée réalisées. Nous décrivons également le système expérimental construit pour la production rapide d’un nuage d’atomes froids et leur transport vers la cavité.
L’exploration expérimentale de l’intrication quantique est un domaine de recherche très actif actuellement. Les systèmes d’électrodynamique quantique en cavité permettent notamment de générer de l’intrication dans des ensembles de plusieurs dizaines de particules, grâce à l’interaction à longue portée fournie par un mode du champ électromagnétique. Mon travail de thèse a consisté à mettre en place un nouveau dispositif expérimental afin d’assurer le chargement rapide et fiable d’une cavité optique miniaturisée à l’intérieur de laquelle l’adressage et la détection d’atomes uniques viennent s’ajouter à l’interaction collective fournie par le mode de la cavité. La tomographie quantique des états intriqués requière l’acquisition d’un grand nombre de données expérimentales, un soin tout particulier doit donc être porté quand à la stabilité et à la rapidité de répétition de l’expérience. Pour satisfaire à ces critères, un système de lasers particulièrement compacts et robustes, a été conçu et fabriqué afin d’assurer le refroidissement et l’interaction avec les atomes. Pour permettre la rapidité de répétition de l’expérience, une source de rubidium est utilisée en mode impulsionnel dans l’unique cellule à vide. Elle permet de moduler temporellement la pression atomique en fonction des besoins de l’expérience. Un chargement prompt du piège magnéto-optique est alors possible sans réduire la durée de vie des atomes dans la cavité, au moment où se déroulent les expériences. Le transport des atomes entre leur position de capture et le centre de la cavité s’effectue grâce à un piège dipolaire, déplacé selon son axe fort de confinement à l’aide d’un déflecteur acousto-optique. Cela permet un déplacement rapide, de l’ordre de la centaine de millisecondes pour une distance de 1,5 cm. Grâce à cette combinaison de techniques, ce nouveau dispositif expérimental devrait donner accès à la physique riche des systèmes intriqués à plusieurs dizaines de particules.
Ensembles atomiques en microcavité : de la protection par la cavité au contrôle d'atomes uniques Générer et manipuler des états quantiques intriqués multiparticules est un des défis excitants de la physique expérimentale moderne. À cette fin, nous avons construit une plateforme où des atomes froids sont fortement couplés à une microcavité optique fibrée, sous un microscope de gaz quantique. Piégés dans un réseau à 1560nm, les atomes ont un couplage fort et homogène à la sonde à 780nm. Celui-ci permet leur interaction cohérente avec la cavité, malgré la forte hétérogénéité en fréquence induite par le piège. C'est la première observation d’un effet de protection par la cavité avec moins de 200 émetteurs. Nous mesurons le couplage croissant des états noirs à la cavité à mesure que le désordre l'emporte sur l'interaction collective. Dans le régime protégé nous démontrons la modulation en fréquence des polaritons, via la fréquence atomique. Ensuite, nous mettons en place des pinces optiques dans la microcavité, pour générer et manipuler plusieurs atomes uniques. La cavité permet la détection rapide et non destructive d'un atome unique dans une pince. Par une mesure du doublet de Rabi, nous démontrons son couplage fort à la cavité, avec une coopérativité effective de 30. Pour finir, nous obtenons des atomes uniques dans une chaine de 9 pinces. Ce travail conduira à la manipulation de plusieurs atomes individuels, fortement couplés à la cavité, avec des applications en métrologie quantique multiparamètre, mettant à profit des états intriqués spatialement étendus et localement mesurables, et la simulation quantique d'une chaine de spins adressables, avec des interactions de portée infinie via la cavité.