Piégeage laser d'atomes de Rydberg circulaires pour la simulation quantique Nous proposons un nouveau paradigme pour la simulation quantique de chaines de spin-1/2, basés sur des atomes de Rydberg circulaires piégés par laser. Leur longue durée de vie intrinsèque, combinée à l’inhibition de leur émission spontanée micro-onde et leur photoionisation négligeable rendent réalistes des temps de simulation à l’échelle de la minute. Cette nouvelle plateforme offre une grande flexibilité et permettra d’explorer de nouveaux regimes de simulation. Le simulateur proposé modélise un Hamiltonien XXZ à spin 1/2, les couplages entre plus proches voisins pouvant aller jusqu’à quelques dizaines de kilohertz. Tous les paramètres du modèle peuvent être réglés dynamiquement à volonté, ce qui permet d’accéder à un large éventail de systèmes simulés. Ainsi, l’évolution du système peut être suivie sur des temps suffisamment long pour permettre la préparation adiabatique depuis l’état fondamental ainsi que l’étude de la thermalisation et du désordre. Cette thèse est un premier pas vers la mise en œuvre de ce schéma de simulation quantique. (i) Nous démontrons la préparation d’états de Rydberg circulaires à partir d’atomes refroidis par laser dans un environnement cryogénique 4.2 K avec accès optiques. Leur durée de vie révèle une température effective du corps noir micro-ondes de 11±2 K. (ii) Nous évaluons le temps de cohérence pour un seul qubit (268±5 μs), et la durée de vie (3.7±0.1 ms). (iii) Enfin nous démontrons le piégeage par laser d’atomes de Rydberg circulaires prouvant leur photoionisation négligeable sur de nombreux temps de vie à l'échèle de 10 ms.
Piégeage laser d'atomes de Rydberg circulaires pour la simulation quantique Nous proposons un nouveau paradigme pour la simulation quantique de chaines de spin-1/2, basés sur des atomes de Rydberg circulaires piégés par laser. Leur longue durée de vie intrinsèque, combinée à l’inhibition de leur émission spontanée micro-onde et leur photoionisation négligeable rendent réalistes des temps de simulation à l’échelle de la minute. Cette nouvelle plateforme offre une grande flexibilité et permettra d’explorer de nouveaux regimes de simulation. Le simulateur proposé modélise un Hamiltonien XXZ à spin 1/2, les couplages entre plus proches voisins pouvant aller jusqu’à quelques dizaines de kilohertz. Tous les paramètres du modèle peuvent être réglés dynamiquement à volonté, ce qui permet d’accéder à un large éventail de systèmes simulés. Ainsi, l’évolution du système peut être suivie sur des temps suffisamment long pour permettre la préparation adiabatique depuis l’état fondamental ainsi que l’étude de la thermalisation et du désordre. Cette thèse est un premier pas vers la mise en œuvre de ce schéma de simulation quantique. (i) Nous démontrons la préparation d’états de Rydberg circulaires à partir d’atomes refroidis par laser dans un environnement cryogénique 4.2 K avec accès optiques. Leur durée de vie révèle une température effective du corps noir micro-ondes de 11±2 K. (ii) Nous évaluons le temps de cohérence pour un seul qubit (268±5 μs), et la durée de vie (3.7±0.1 ms). (iii) Enfin nous démontrons le piégeage par laser d’atomes de Rydberg circulaires prouvant leur photoionisation négligeable sur de nombreux temps de vie à l'échèle de 10 ms.
Preparation and trapping of individual circular Rydberg atoms for quantum simulation La simulation quantique offre des perspectives intéressantes pour la compréhension de systèmes complexes dans des régimes qui se prêtent difficilement à une approche numérique du problème. Dans cette perspective, une nouvelle architecture de simulateur quantique a récemment été proposée. Celle-ci modélise un hamiltonien XXZ à spin 1/2 dont les paramètres peuvent être contrôlés sur une large gamme. Les états de spin sont encodés sur des états de Rydberg circulaires en interaction dipolaire. Ceux-ci présentent des temps de vie plus longs que les états correspondants de bas moment angulaire utilisés actuellement pour réaliser des simulations quantiques. En outre, ils peuvent être piégés par laser en tirant profit de l’effet pondéromoteur, et voir leur temps de vie augmenté considérablement par l’inhibition de l’émission spontanée. Nous présentons dans cette thèse la première étape vers la mise en place ce simulateur quantique. Nous préparons dans un premier temps un tableau d’atomes de rubidium 87 piégés individuellement dans des pinces optiques. Ceux-ci sont alors excités vers l’état de Rydberg circulaire n = 52 et transférés dans des pièges creux en forme de bouteille. Nous mettons ainsi en évidence le piégeage pondéromoteur de ces états sur des durées de plusieurs millisecondes. Nous tirons ensuite profit de la détection optique des états ainsi préparés au cours de diverses expériences. Le potentiel de piégeage est caractérisé en mesurant sa fréquence d’oscillation transverse de chaque piège. Enfin, nous concluons en réalisant la manipulation cohérente de ces états circulaires piégés au travers d’oscillations de Rabi ainsi que la mesure de franges de Ramsey pour déterminer leur cohérence.
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.
Vers la réalisation d'ensembles d'atomes de Rydberg circulaires à longue durée de vie La description de l’évolution des systèmes quantiques à grands nombres de particules est une tâche difficile. Leur complexité computationnelle empêche les calculs ab-initio sur des ordinateurs classiques au-delà d’une centaine de particules. Une possible alternative est la simulation quantique analogique. Dans ce contexte, notre équipe a proposé un nouveau simulateur basé sur des atomes de Rydberg circulaires piégés et protégés de l’émission spontanée. Refroidi en dessous d’un kelvin, ce dispositif atteindrait des temps de simulation plus longs, permettant ainsi l’étude de processus jusque-là hors de portée d’autres plateformes expérimentales. La première partie du manuscrit présente une expérience de thermodynamique quantique, réalisée sur un ancien montage d’électrodynamique quantique en cavité. En exploitant l’interaction entre un atome et une cavité supraconductrice, nous avons simulé des environnements associés à différents processus de décorrélation et mesuré leur production d’entropie, à l’échelle microscopique des particules quantiques uniques. La discussion met en avant les difficultés de mesure de l’entropie relative et les solutions de traitement de données utilisées. La seconde partie présente la conception et la mise en service d’un nouveau montage expérimental visant à terme la simulation d’une chaîne de spins 1/2. Pour cela, le dispositif et les procédures du précédent montage ont dû être modifiés et adaptés. L’inhibition de l’émission spontanée est réalisée par deux plaques conductrices parallèles réduisant la densité de modes dans lesquels les atomes peuvent se désexciter. Afin de maximiser le temps de vie des états atomiques, l’ensemble du montage a été conçu pour isoler les atomes tout en maintenant les moyens de contrôles nécessaires. À ce jour, le résultat le plus important obtenu est la réalisation d’une source déterministe d’atomes froids piégés dans la zone d’inhibition. Les éléments nécessaires à la préparation et la détection des atomes de Rydberg circulaires ont été assemblés et sont actuellement testés sur les atomes.
Atomes de Rydberg circulaires vivant plus d'une milliseconde dans une expérience à température ambiante Les états de Rydberg circulaires sont des outils idéaux pour les technologies quantiques, avec d'énormes interactions mutuelles et des durées de vie extrêmement longues de l'ordre de quelques dizaines de millisecondes, deux ordres de grandeur plus grandes que celles des états de Rydberg accessibles au laser. Cependant, de telles durées de vie ne sont observées qu'à température nulle. À température ambiante, les transferts induits par le rayonnement du corps noir annihilent cet atout essentiel des états circulaires, qui ont donc été principalement utilisés jusqu'à présent dans des expériences cryogéniques spécifiques et complexes. Dans ce travail, nous démontrons, sur un échantillon atomique refroidi par laser, une durée de vie d'état circulaire de plus d'une milliseconde à température ambiante pour un nombre quantique principal de 60. La structure d'inhibition est un simple condensateur plan parallèle qui inhibe efficacement le rayonnement du corps noir. -transferts induits. L'une des électrodes du condensateur est entièrement transparente et offre un accès optique complet aux atomes, une caractéristique essentielle pour les applications. Cette expérience ouvre la voie à une large utilisation des atomes circulaires de Rydberg pour la métrologie quantique et la simulation quantique.
Les réseaux d'atomes de Rydberg sont l'une des plateformes les plus avancées pour la simulation quantique, permettant d'émuler la dynamique de plus d'une centaine de spins 1/2. Aujourd'hui, la taille de ces simulateurs est principalement limitée par le temps de vie des atomes de Rydberg de faible moment angulaire utilisés. Notre équipe propose de développer un simulateur quantique utilisant des chaînes d’atomes de Rydberg circulaires. Pourvus d'un long temps de vie, les états de Rydberg circulaires doivent permettre de simuler des dynamiques sur des temps très longs. Malheureusement, les atomes de Rydberg circulaires alcalins sont transparents à la lumière laser, ce qui rend difficile leur manipulation avec des champs optiques. Dans notre expérience, nous préparons des états de Rydberg circulaires du strontium, élément alcalino-terreux qui possède deux électrons de valence. Nous avons tout d'abord montré qu'une fois le premier électron placé dans un état de Rydberg circulaire, le second demeure optiquement actif et peut être manipulé sans provoquer l'auto-ionisation de l'atome. Nous montrons dans un second temps que le couplage électrostatique quadrupolaire entre les deux électrons permet pour la première fois de manipuler de façon cohérente un état de Rydberg circulaire avec de la lumière laser. Nous utilisons enfin un laser contra-propageant pour ralentir les atomes lorsqu'ils sont dans l'état circulaire, ou dans une superposition d'états circulaires, et ce sans affecter la cohérence quantique de la superposition.
Les réseaux d'atomes de Rydberg sont l'une des plateformes les plus avancées pour la simulation quantique, permettant d'émuler la dynamique de plus d'une centaine de spins 1/2. Aujourd'hui, la taille de ces simulateurs est principalement limitée par le temps de vie des atomes de Rydberg de faible moment angulaire utilisés. Notre équipe propose de développer un simulateur quantique utilisant des chaînes d’atomes de Rydberg circulaires. Pourvus d'un long temps de vie, les états de Rydberg circulaires doivent permettre de simuler des dynamiques sur des temps très longs. Malheureusement, les atomes de Rydberg circulaires alcalins sont transparents à la lumière laser, ce qui rend difficile leur manipulation avec des champs optiques. Dans notre expérience, nous préparons des états de Rydberg circulaires du strontium, élément alcalino-terreux qui possède deux électrons de valence. Nous avons tout d'abord montré qu'une fois le premier électron placé dans un état de Rydberg circulaire, le second demeure optiquement actif et peut être manipulé sans provoquer l'auto-ionisation de l'atome. Nous montrons dans un second temps que le couplage électrostatique quadrupolaire entre les deux électrons permet pour la première fois de manipuler de façon cohérente un état de Rydberg circulaire avec de la lumière laser. Nous utilisons enfin un laser contra-propageant pour ralentir les atomes lorsqu'ils sont dans l'état circulaire, ou dans une superposition d'états circulaires, et ce sans affecter la cohérence quantique de la superposition.