Piégeage et refroidissement d’atomes de strontium dans un montage compact : vers une expérience d’électrodynamique quantique dans une micro cavité en anneau Durant les dernières années, l’émergence de technologies quantiques basées sur l’intrication ont défini une Seconde Révolution Quantique. Les ensembles d’atomes de type alcalino-terreux comme le strontium et l’ytterbium possèdent des états quantiques à longue durée de vie prometteurs pour ces technologies. La présence de transitions ultra fines dans leurs structures de niveaux ainsi que de larges spins nucléaires ont mené à d’impressionnantes avancées dans les domaines des horloges optiques, du magnétisme de type SU(N) et de la physique des atomes de Rydberg. Parmi les plateformes permettant de générer de l’intrication dans des systèmes contenant de nombreuses particules, l’électrodynamique quantique en cavité est particulièrement intéressante. Autorisant la création d’interactions effectives à longue portée entre atomes et la mesure quantique non destructive des états des qubits, elle ouvre de nombreuses possibilités dont l’amélioration de la précision des horloges optiques et les simulations quantiques contenant des interactions longues distances. Dans cet esprit, nous développons une expérience combinant un ensemble d’atomes de strontium ultra froids à une cavité en anneau miniaturisée afin d’obtenir un couplage homogène entre l’ensemble atomique et la lumière du résonateur optique. Cette thèse se concentre sur la description des systèmes laser et à vide servant à produire l’ensemble d’atomes de strontium ultra froids, tout en prenant en compte les considérations liées à la cavité prête à être intégrée au montage expérimental. Son design compact est basé sur une source effusive d’atomes émettant vers une cellule en verre ayant un grand accès optique. Afin de réduire la longueur et la complexité du système à vide, les opérations de ralentissement et de piégeage magnéto-optique sont réalisées avec le même assemblage de bobines. Les nuages ultra froids réalisés sur deux transitions optiques du strontium à 461 et 689nm sont également caractérisés.
Piégeage et refroidissement d’atomes de strontium dans un montage compact : vers une expérience d’électrodynamique quantique dans une micro cavité en anneau Durant les dernières années, l’émergence de technologies quantiques basées sur l’intrication ont défini une Seconde Révolution Quantique. Les ensembles d’atomes de type alcalino-terreux comme le strontium et l’ytterbium possèdent des états quantiques à longue durée de vie prometteurs pour ces technologies. La présence de transitions ultra fines dans leurs structures de niveaux ainsi que de larges spins nucléaires ont mené à d’impressionnantes avancées dans les domaines des horloges optiques, du magnétisme de type SU(N) et de la physique des atomes de Rydberg. Parmi les plateformes permettant de générer de l’intrication dans des systèmes contenant de nombreuses particules, l’électrodynamique quantique en cavité est particulièrement intéressante. Autorisant la création d’interactions effectives à longue portée entre atomes et la mesure quantique non destructive des états des qubits, elle ouvre de nombreuses possibilités dont l’amélioration de la précision des horloges optiques et les simulations quantiques contenant des interactions longues distances. Dans cet esprit, nous développons une expérience combinant un ensemble d’atomes de strontium ultra froids à une cavité en anneau miniaturisée afin d’obtenir un couplage homogène entre l’ensemble atomique et la lumière du résonateur optique. Cette thèse se concentre sur la description des systèmes laser et à vide servant à produire l’ensemble d’atomes de strontium ultra froids, tout en prenant en compte les considérations liées à la cavité prête à être intégrée au montage expérimental. Son design compact est basé sur une source effusive d’atomes émettant vers une cellule en verre ayant un grand accès optique. Afin de réduire la longueur et la complexité du système à vide, les opérations de ralentissement et de piégeage magnéto-optique sont réalisées avec le même assemblage de bobines. Les nuages ultra froids réalisés sur deux transitions optiques du strontium à 461 et 689nm sont également caractérisés.
Durant les dernières années, l’émergence de technologies quantiques basées sur l’intrication ont défini une Seconde Révolution Quantique. Les ensembles d’atomes de type alcalino-terreux comme le strontium et l’ytterbium possèdent des états quantiques à longue durée de vie prometteurs pour ces technologies. La présence de transitions ultra fines dans leurs structures de niveaux ainsi que de larges spins nucléaires ont mené à d’impressionnantes avancées dans les domaines des horloges optiques, du magnétisme de type SU(N) et de la physique des atomes de Rydberg. Parmi les plateformes permettant de générer de l’intrication dans des systèmes contenant de nombreuses particules, l’électrodynamique quantique en cavité est particulièrement intéressante. Autorisant la création d’interactions effectives à longue portée entre atomes et la mesure quantique non destructive des états des qubits, elle ouvre de nombreuses possibilités dont l’amélioration de la précision des horloges optiques et les simulations quantiques contenant des interactions longues distances. Dans cet esprit, nous développons une expérience combinant un ensemble d’atomes de strontium ultra froids à une cavité en anneau miniaturisée afin d’obtenir un couplage homogène entre l’ensemble atomique et la lumière du résonateur optique. Cette thèse se concentre sur la description des systèmes laser et à vide servant à produire l’ensemble d’atomes de strontium ultra froids, tout en prenant en compte les considérations liées à la cavité prête à être intégrée au montage expérimental. Son design compact est basé sur une source effusive d’atomes émettant vers une cellule en verre ayant un grand accès optique. Afin de réduire la longueur et la complexité du système à vide, les opérations de ralentissement et de piégeage magnéto-optique sont réalisées avec le même assemblage de bobines. Les nuages ultra froids réalisés sur deux transitions optiques du strontium à 461 et 689nm sont également caractérisés.
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.
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.
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.
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.
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.