Vers l’ingénierie quantique avec des atomes individuels : fabrication de fibres optiques nanométriques et contrôle des interactions entre atomes de Rydberg La plupart des objets quantiques individuels développés jusqu’à aujourd’hui ne permettent pas de satisfaire toutes les conditions nécessaires pour la construction d’un simulateur quantique. Une possibilité pour obtenir un système quantique robuste est de combiner plusieurs de ces approches. Dans cette thèse, nous décrivons les résultats obtenus sur deux systèmes expérimentaux développés dans ce but.La première partie de cette thèse décrit un système hybride d’atomes neutres couplés à des qubits supraconducteurs, en construction à l’Université du Maryland. La solution envisagée pour placer un ensemble d’atomes froids à proximité de la surface supraconductrice est de piéger les atomes dans le champ évanescent se propageant autour d’une fibre optique nanométrique. Nous avons développé un dispositif permettant la production de fibres optiques nanométriques de transmission optique supérieure à 99.95% dans le mode fondamental. Nous avons également optimisé la transmission de quelques modes d’ordres supérieurs, ce qui pourra s’avérer utile pour le piégeage d’atomes.La seconde partie de cette thèse décrit un système développé à l’Institut d’Optique et comprenant des atomes neutres piégés dans des matrices de pinces optiques. Dans ce cas, nous excitons les atomes dans des états de Rydberg afin de bénéficier de fortes interactions interatomiques. Nous avons caractérisé les interactions de van der Waals et les interactions résonantes entre deux atomes individuels, et démontré le caractère cohérent de l’interaction dipolaire. Nous avons enfin simulé la dynamique d’une chaine élémentaire de spins dans une matrice de trois atomes
Vers l’ingénierie quantique avec des atomes individuels : fabrication de fibres optiques nanométriques et contrôle des interactions entre atomes de Rydberg La plupart des objets quantiques individuels développés jusqu’à aujourd’hui ne permettent pas de satisfaire toutes les conditions nécessaires pour la construction d’un simulateur quantique. Une possibilité pour obtenir un système quantique robuste est de combiner plusieurs de ces approches. Dans cette thèse, nous décrivons les résultats obtenus sur deux systèmes expérimentaux développés dans ce but.La première partie de cette thèse décrit un système hybride d’atomes neutres couplés à des qubits supraconducteurs, en construction à l’Université du Maryland. La solution envisagée pour placer un ensemble d’atomes froids à proximité de la surface supraconductrice est de piéger les atomes dans le champ évanescent se propageant autour d’une fibre optique nanométrique. Nous avons développé un dispositif permettant la production de fibres optiques nanométriques de transmission optique supérieure à 99.95% dans le mode fondamental. Nous avons également optimisé la transmission de quelques modes d’ordres supérieurs, ce qui pourra s’avérer utile pour le piégeage d’atomes.La seconde partie de cette thèse décrit un système développé à l’Institut d’Optique et comprenant des atomes neutres piégés dans des matrices de pinces optiques. Dans ce cas, nous excitons les atomes dans des états de Rydberg afin de bénéficier de fortes interactions interatomiques. Nous avons caractérisé les interactions de van der Waals et les interactions résonantes entre deux atomes individuels, et démontré le caractère cohérent de l’interaction dipolaire. Nous avons enfin simulé la dynamique d’une chaine élémentaire de spins dans une matrice de trois atomes
Interactions entre atomes de Rydberg circulaires piégés pour la simulation quantique Les atomes de Rydberg circulaires, de par leur long temps de vie et fortes interactions dipolaires ajustables, sont des candidats prometteurs pour l’implémentation de simulations quantiques dans des régimes jusqu’à présent hors d’atteinte. Un nouveau paradigme de simulateur quantique, basé sur un encodage des qubits dans des états circulaires, implémenterait ainsi un hamiltonien XXZ de spins ½ dont les paramètres seraient ajustables dynamiquement et sur une large gamme de valeurs. Cette thèse traite des premières étapes dans la construction de ce simulateur quantique. Nous présentons tout d’abord la réalisation de réseaux bi-dimensionnels, à géométrie arbitraire, d’atomes de Rydberg circulaires piégés optiquement. Nous préparons dans ce but un tableau d’atomes de rubidium ultra-froids, piégés individuellement dans des pinces optiques. Un faisceau additionnel de position ajustable nous permet de réarranger les atomes au sein du tableau, afin d’implémenter la géométrie voulue de façon déterministe. Nous excitons ensuite les atomes vers l’état circulaire n=52, tout en les piégeant à ce stade dans des faisceaux creux par le biais de la force pondéromotrice. Ces capacités expérimentales nous ont permis de mesurer, pour la première fois, les interactions dipolaires entre atomes circulaires, au sein de paires d’atomes piégés côte à côte. Nous avons vérifié le bon accord de ces mesures avec les attentes théoriques et mis en évidence leur variation en fonction de la géométrie du système. Cette étude expérimentale est couplée à une investigation du mouvement des atomes circulaires au sein de leurs pièges.
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.
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.
Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques et excités vers des états de Rydberg forment une plateforme expérimentale performante pour la simulation quantique de problèmes à N corps, comme le confirment les récents progrès dans le domaine. Lors de cette thèse, nous avons d’abord montré la production de matrices de pinces optiques, toutes chargées par des atomes uniques dans leur état fondamental. Notre technique de piégeage a été étendue au cas des atomes de Rydberg. Ces derniers sont chassés des zones de haute intensité par la force pondéromotrice. Par conséquent, nous avons créé par holographie des zones sombres entourés de lumière, pour les confiner. Nous avons aussi étudié les corrélations entre spins dans le cas des Hamiltoniens d’Ising ou XY, en utilisant le régime d’interaction de van der Waals ou dipolaire résonnant. Lors de notre étude du modèle d’Ising, nous avons observé l’apparition de corrélations antiferromagnétiques au cours d’une variation temporelle de l’Hamiltonien, mettant en évidence une vitesse effective pour la propagation des corrélations, ainsi qu’un mécanisme caractéristique de croissance site-à-site. Pour le modèle XY, nous avons montré la préparation d’un nombre contrôlé d’excitations de spin, ainsi que la production de chaînes ferromagnétiques, ou d’un ensemble de chaînes ferromagnétiques anti-alignées deux à deux. Enfin, nous avons utilisé d’autres termes d’échange, présents dans l’interaction dipolaire, pour créer des amplitudes de saut complexe pour une particule effective. Cette utilisation a conduit à l’apparition d’un champ de jauge artificiel, dont l’effet a été mesuré sur un système minimal composé de trois atomes, et ouvre la voie à l’observation d’états de bords chiraux, caractéristiques des isolants topologiques.
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.
Des nanofibres optiques comme interface entre lumière guidée et atomes froids. Un outil pour l'optique quantique Cette thèse a consisté à mettre en place une nouvelle expérience utilisant des atomes froids en interaction avec la lumière guidée par une nanofibre optique. Nous avons tout d'abord développé un banc de fabrication de nanofibres. En chauffant et étirant une fibre optique commerciale, on obtient un cylindre de silice de 400 nm de diamètre. La lumière guidée dans ces nanofibres est fortement focalisée sur toute la longueur de la fibre et exhibe de forts champs évanescents, ce qui permet d'obtenir une grande profondeur optique avec un faible nombre d'atomes. Après avoir inséré une nanofibre au milieu d'un nuage d'atomes, nous avons observé le phénomène de lumière lente dans les conditions de transparence électromagnétiquement induite. Nous avons aussi stoppé la lumière guidée et mémorisé l'information qu'elle contenait. Nous avons montré que ce protocole de mémoire optique fonctionne pour des impulsions lumineuses contenant moins d'un photon en moyenne. Ce système pourra donc être utilisé comme une mémoire quantique, un outil essentiel pour les futurs réseaux de communication quantique. Enfin, nous avons piégé les atomes dans un réseau optique au voisinage de la nanofibre grâce à de la lumière guidée par celle-ci. Par rapport à notre première série d'expériences, le nuage ainsi obtenu a un temps de vie plus long (25 ms) et interagit plus fortement avec la lumière guidée (OD ~ 100). Ce nouveau système devrait permettre d'implémenter efficacement d'autres protocoles d'optique quantique, comme la génération de photons uniques et l'intrication de deux ensembles atomiques distants.