Plateforme hybride cavité-Rydberg pour des interactions photoniques Atteindre un régime où des photons peuvent interagir entre eux est un but important de l’optique quantique. Il s’agit d’une condition fondamentale pour pour de nombreux domaines, e.g. la mise en place d’un réseau de communication quantique, mais c’est aussi une manière de permettre l’étude et la simulation de la physique de la matière condensée. Ce manuscrit présente le travail effectué durant trois ans pour assembler et tester une plateforme expérimentale visant à créer et à contrôler des interactions cohérentes entre photons optiques individuels et de franchir ainsi une étape importante pour le développement des technologies quantiques. Le montage combine des techniques venant de l’électrodynamique en cavité et des atomes froids : un ensemble d’atomes froids est transporté dans une cavité spécialement étudiée, permettant de transitoirement convertir les photons qui y circulent en polaritons de Rydberg atomique présentant de fortes interactions. Le contrôle de certains paramètres, relevant soit du nuage, de l’excitation ou bien de la cavité, doivent nous permettre de tester la validité de théorèmes fondamentaux en logique quantique, de générer des états non classiques et d’accéder à un régime dans lequel la simulation de système bidimensionnels propres à la matière condensée devient possible. Une première partie du manuscrit présente le montage et la manière dont les différents sous-systèmes requis ont été mis en place. Dans une deuxième partie les premières mesures d’EIT dans le nuage sont effectuées et décrites. Enfin, l’évolution à venir du montage est mentionnée.
Plateforme hybride cavité-Rydberg pour des interactions photoniques Atteindre un régime où des photons peuvent interagir entre eux est un but important de l’optique quantique. Il s’agit d’une condition fondamentale pour pour de nombreux domaines, e.g. la mise en place d’un réseau de communication quantique, mais c’est aussi une manière de permettre l’étude et la simulation de la physique de la matière condensée. Ce manuscrit présente le travail effectué durant trois ans pour assembler et tester une plateforme expérimentale visant à créer et à contrôler des interactions cohérentes entre photons optiques individuels et de franchir ainsi une étape importante pour le développement des technologies quantiques. Le montage combine des techniques venant de l’électrodynamique en cavité et des atomes froids : un ensemble d’atomes froids est transporté dans une cavité spécialement étudiée, permettant de transitoirement convertir les photons qui y circulent en polaritons de Rydberg atomique présentant de fortes interactions. Le contrôle de certains paramètres, relevant soit du nuage, de l’excitation ou bien de la cavité, doivent nous permettre de tester la validité de théorèmes fondamentaux en logique quantique, de générer des états non classiques et d’accéder à un régime dans lequel la simulation de système bidimensionnels propres à la matière condensée devient possible. Une première partie du manuscrit présente le montage et la manière dont les différents sous-systèmes requis ont été mis en place. Dans une deuxième partie les premières mesures d’EIT dans le nuage sont effectuées et décrites. Enfin, l’évolution à venir du montage est mentionnée.
Optique quantique non-linéaire avec un super-atome de Rydberg couplé à une cavité de finesse moyenne La production d'interactions entre photons optiques est une préoccupation majeure pour la mise en œuvre de protocoles de communication quantique, le calcul quantique photonique et l'exploration de fluides photoniques en interaction. Cette thèse présente une plateforme expérimentale conçue pour obtenir ces interactions via un petit ensemble d’atomes couplé à une cavité. Les photons injectés à travers le résonateur sont transitoirement convertis en excitations de Rydberg, caractérisées par de fortes interactions de van der Waals couvrant l’ensemble. Cette hybridation entre photons et excitations atomiques, aussi appelé polariton, permet d’atteindre des non-linéarités optiques entre quelques photons. La première partie de cette thèse présente le dispositif expérimental, aborde la construction et les choix techniques. La deuxième partie se concentre sur la caractérisation de l'expérience et les différentes étapes nécessaires pour atteindre de fortes interactions : la préparation d'un petit nuage atomique, le fort couplage collectif avec le résonateur, l'hybridation entre photons et excitations atomiques. La dernière partie présente deux expériences menées avec la plateforme. Dans la première, les fortes interactions obtenues par les excitations de Rydberg sont utilisées pour réaliser une mémoire quantique non linéaire. Ce mécanisme tronque un état cohérent et permet de produire efficacement des photons uniques. La deuxième expérience porte sur le contrôle et la détection à mesure unique d'une excitation Rydberg dans le nuage. En particulier, un atome de Rydberg est suffisant pour induire un changement de signe du champ réfléchi sur la cavité.
La production d'interactions entre photons optiques est une préoccupation majeure pour la mise en œuvre de protocoles de communication quantique, le calcul quantique photonique et l'exploration de fluides photoniques en interaction. Cette thèse présente une plateforme expérimentale conçue pour obtenir ces interactions via un petit ensemble d’atomes couplé à une cavité. Les photons injectés à travers le résonateur sont transitoirement convertis en excitations de Rydberg, caractérisées par de fortes interactions de van der Waals couvrant l’ensemble. Cette hybridation entre photons et excitations atomiques, aussi appelé polariton, permet d’atteindre des non-linéarités optiques entre quelques photons. La première partie de cette thèse présente le dispositif expérimental, aborde la construction et les choix techniques. La deuxième partie se concentre sur la caractérisation de l'expérience et les différentes étapes nécessaires pour atteindre de fortes interactions : la préparation d'un petit nuage atomique, le fort couplage collectif avec le résonateur, l'hybridation entre photons et excitations atomiques. La dernière partie présente deux expériences menées avec la plateforme. Dans la première, les fortes interactions obtenues par les excitations de Rydberg sont utilisées pour réaliser une mémoire quantique non linéaire. Ce mécanisme tronque un état cohérent et permet de produire efficacement des photons uniques. La deuxième expérience porte sur le contrôle et la détection à mesure unique d'une excitation Rydberg dans le nuage. En particulier, un atome de Rydberg est suffisant pour induire un changement de signe du champ réfléchi sur la cavité.
Production et interaction de photons en utilisant des polaritons atomiques et des interactions de Rydberg Produire et faire interagir entre eux des photons optiques de façon contrôlée sont deux conditions nécessaires au développement de communications quantiques à longue distance, et plus généralement au traitement quantique d’information codée sur des photons. Cette thèse présente une étude expérimentale de solutions possibles a ces deux problèmes, en utilisant la conversion des photons en excitations collectives (polaritons) dans un nuage d’atomes froids, placé dans le mode d’une cavité optique de faible finesse (~100). Dans un premier temps, des polaritons entre états atomiques fondamentaux sont utilisés pour « mettre en mémoire » une excitation unique dans le nuage. Celle-ci est ensuite convertie efficacement en un photon unique, dont le champ est analysé par tomographie homodyne. La fonction de Wigner de l’état à un photon est reconstruite a partir des données expérimentales, et présente des valeurs négatives, démontrant que les degrés de liberté de ce photon (mode spatio-temporel et état quantique) sont complètement contrôlés. Dans un second temps, les photons sont couplés à des polaritons impliquant des états de Rydberg. Les fortes interactions dipolaires entre ces derniers se traduisent par des non-linéarités optiques dispersives très importantes, qui sont caractérisées dans un régime d’excitation classique. Ces non-linéarités peuvent être amplifiées jusqu’à ce qu’un seul photon suffise à modifier totalement la réponse du système, permettant en principe de générer des interactions effectives entre photons.
Ingénierie quantique de la lumière à l'aide d'atomes de Rydberg en cavité Produire des interactions entre photons optiques est une étape cruciale pour la mise en œuvre de protocoles de communication quantique et de calcul quantique photonique. Pour atteindre cet objectif, un milieu fortement non linéaire est nécessaire. Cette thèse présente une configuration conçue pour faciliter de telles interactions, consistant en un petit nuage atomique placé à l’intérieur d’une cavité optique de finesse moyenne et excité jusqu’à un état de Rydberg. La nature collective de l’ensemble atomique renforce le couplage entre le nuage et le champ lumineux de la cavité, tandis que les interactions de Rydberg suppriment les doubles excitations au sein du nuage. Par conséquent, le nuage atomique se comporte comme un « superatome » collectif à trois niveaux, couplé au mode de la cavité. La première partie de cette thèse traite des imperfections du modèle idéal de superatome en prenant en compte les multiples excitations de Rydberg au sein du nuage. Un nouveau modèle théorique est introduit pour décrire les effets d’un blocage de Rydberg imparfait, dans le régime se limitant à deux excitations de Rydberg. Ce modèle est ensuite validé à travers une série d’expériences, démontrant sa validité dans le cadre expérimental qui nous intéresse. Dans la deuxième partie, l’état interne du superatome est contrôlé de manière cohérente et transféré à un mode lumineux libre pour générer un qubit optique encodé comme une superposition quantique de 0 et 1 photons. Les mesures de corrélation photonique révèlent la nature unique des états émis, avec un effet de dégroupement marqué et une probabilité résiduelle de 0,5 % d’émettre deux photons par impulsion. Les états photoniques sont générés dans le mode spatiotemporel souhaité avec une efficacité élevée de 60 %. Grâce à la tomographie homodyne, la matrice densité des états produit est reconstruite, permettant de calculer les fonctions de Wigner. En accord avec les prédictions théoriques, ces fonctions présentent une compression des quadratures pour de petits angles de rotation du qubit et développent une région négative lorsque l’angle approche p. Dans la troisième partie, le dispositif expérimental est amélioré pour inclure un deuxième nuage atomique dans la cavité. Les premières expériences se concentrent sur l’introduction d’une excitation dans un superatome et de son transfert, via la cavité, au deuxième superatome. Ce processus atteint une efficacité d’environ 30 %, en accord avec les prédictions théoriques. Ces résultats ouvrent la voie à de futurs progrès pour réaliser des portes quantiques plus complexes et des protocoles de communication quantique.
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.
Les systèmes quantiques à N corps en interaction sont au cœur des problèmes actuels de la recherche en physique quantique. La compréhension de tels systèmes est un enjeu crucial pour le développement des connaissances en physique de la matière condensée. De nombreux efforts de recherche visent à la construction d'un « simulateur quantique » : une plateforme permettant de modéliser, grâce à un système quantique bien contrôlé, un système quantique dont l'accès expérimental est difficile. Les fortes interactions dipolaires entre atomes de Rydberg représentent un objet d'étude choix pour ce type de problème. Nous présentons dans le présent manuscrit une étude des conditions d'excitation d'un nuage dense d'atomes de Rydberg en interaction, permise par le dispositif expérimental dont nous disposons, qui mêle les techniques de piégeage et de refroidissement d’atomes sur puce avec les techniques de manipulation des niveaux de Rydberg. Les résultats de cette étude nous permettent de formuler une proposition expérimentale complète de développement d'un simulateur quantique fondé sur le piégeage d'atomes de Rydberg circulaires. Le simulateur que nous proposons est très prometteur, grâce à sa flexibilité et aux longs temps de simulation qu’il permettrait. Nous terminons ce manuscrit par la description détaillée de la première étape sur le chemin vers ce simulateur : l'excitation d’atomes de Rydberg circulaires sur puce.