Amélioration d'une horloge sur puce à atomes via la compression de bruit de spin Les capteurs atomiques sont des dispositifs très sensibles utilisés dans les étalons de temps et de fréquence, la détection inertielle et les mesures de précision des champs électromagnétiques. Aujourd'hui, ils sont développés au point d'être limités par leur nature quantique, c'est-à-dire la limite quantique standard (SQL). Cette limite découle du comportement individuel et non corrélé des atomes utilisés. Toutefois, il a été démontré que l'on peut surmonter cette limite en générant des corrélations quantiques et un enchevêtrement entre les atomes. La preuve de principe de la génération d'intrication peut être accomplie via différents protocoles, mais cela a très rarement été fait dans des dispositifs de qualité métrologique. Dans cette thèse, nous utilisons une plateforme d'électrodynamique quantique en cavité (cQED) pour créer un type d'état corrélé quantique dit état comprimé de spin. Nous utilisons comme plateforme une horloge à atomes piégés sur puce (TACC) pour générer ces états intriqués. Ce dispositif de qualité métrologique nous permet d'étudier la dynamique due aux interactions de spin sur une longue échelle de temps, de l'ordre de la seconde. La stabilité de l'appareil est confirmée par une déviation fractionnelle de la fréquence d'Allan de 6×10-13 à 1 s, une performance battant les horloges à atomes compactes disponibles dans le commerce.
Amélioration d'une horloge sur puce à atomes via la compression de bruit de spin Les capteurs atomiques sont des dispositifs très sensibles utilisés dans les étalons de temps et de fréquence, la détection inertielle et les mesures de précision des champs électromagnétiques. Aujourd'hui, ils sont développés au point d'être limités par leur nature quantique, c'est-à-dire la limite quantique standard (SQL). Cette limite découle du comportement individuel et non corrélé des atomes utilisés. Toutefois, il a été démontré que l'on peut surmonter cette limite en générant des corrélations quantiques et un enchevêtrement entre les atomes. La preuve de principe de la génération d'intrication peut être accomplie via différents protocoles, mais cela a très rarement été fait dans des dispositifs de qualité métrologique. Dans cette thèse, nous utilisons une plateforme d'électrodynamique quantique en cavité (cQED) pour créer un type d'état corrélé quantique dit état comprimé de spin. Nous utilisons comme plateforme une horloge à atomes piégés sur puce (TACC) pour générer ces états intriqués. Ce dispositif de qualité métrologique nous permet d'étudier la dynamique due aux interactions de spin sur une longue échelle de temps, de l'ordre de la seconde. La stabilité de l'appareil est confirmée par une déviation fractionnelle de la fréquence d'Allan de 6×10-13 à 1 s, une performance battant les horloges à atomes compactes disponibles dans le commerce.
Compression et dynamique de spin dans une horloge à atomes piégés Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d'inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED). Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l'horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6E-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1.7E4 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique. Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d'amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d'atomes froids.
Vers une horloge atomique améliorée par intrication sur une puce L’objet de cette thèse de doctorat est la conception et la construction d’une horloge atomique réalisée sur un microcircuit à atomes (TACC) et améliorée par l’intrication. L’élément principal de cette nouvelle expérience est un micro-résonateur Fabry Pérot qui permet la génération d’états de spin comprimés de l'ensemble atomique grâce aux interactions entre la lumière et les atomes. Il a déjà été montré que ces états peuvent améliorer les performances métrologiques des horloges atomiques. Cependant, les expériences ayant permis cette démonstration de principe n'ont pas encore atteint un niveau de précision présentant un intérêt métrologique. C’est précisément l'objectif de la nouvelle configuration expérimentale que nous proposons ici. Afin de conserver la compacité et la stabilité de notre installation, nous avons choisi d’utiliser une cavité Fabry-Pérot fibrée (fibered Fabry-Pérot, FFP) comme résonateur optique, dans lequel les miroirs du résonateur sont réalisés sur la pointe de fibres optiques. Pour répondre aux exigences de notre expérience, une nouvelle génération de résonateurs FFP a été développée au cours de cette thèse, les plus longs réalisés à ce jour. A cette fin, nous avons développé une procédure d’ablation par tirs multiples à l'aide d'un laser CO2 focalisé, qui permet la mise en forme des surfaces de silice fondue avec une précision et une polyvalence sans précédent.L'intégration du résonateur optique au dispositif expérimental TACC nécessite une conception nouvelle du microcircuit à atomes, qui doit permettre le transport du nuage atomique jusqu’au résonateur. Nous présenterons donc la conception et la fabrication de ce microcircuit à atomes.
L’objet de cette thèse de doctorat est la conception et la construction d’une horloge atomique réalisée sur un microcircuit à atomes (TACC) et améliorée par l’intrication. L’élément principal de cette nouvelle expérience est un micro-résonateur Fabry Pérot qui permet la génération d’états de spin comprimés de l'ensemble atomique grâce aux interactions entre la lumière et les atomes. Il a déjà été montré que ces états peuvent améliorer les performances métrologiques des horloges atomiques. Cependant, les expériences ayant permis cette démonstration de principe n'ont pas encore atteint un niveau de précision présentant un intérêt métrologique. C’est précisément l'objectif de la nouvelle configuration expérimentale que nous proposons ici. Afin de conserver la compacité et la stabilité de notre installation, nous avons choisi d’utiliser une cavité Fabry-Pérot fibrée (fibered Fabry-Pérot, FFP) comme résonateur optique, dans lequel les miroirs du résonateur sont réalisés sur la pointe de fibres optiques. Pour répondre aux exigences de notre expérience, une nouvelle génération de résonateurs FFP a été développée au cours de cette thèse, les plus longs réalisés à ce jour. A cette fin, nous avons développé une procédure d’ablation par tirs multiples à l'aide d'un laser CO2 focalisé, qui permet la mise en forme des surfaces de silice fondue avec une précision et une polyvalence sans précédent.L'intégration du résonateur optique au dispositif expérimental TACC nécessite une conception nouvelle du microcircuit à atomes, qui doit permettre le transport du nuage atomique jusqu’au résonateur. Nous présenterons donc la conception et la fabrication de ce microcircuit à atomes.
Atom chips pour la métrologie Cette thèse porte sur deux sujets principaux: l'évaluation de la stabilité d'une horloge sur microcircuit utilisant des atomes piégés (Trapped Atom Clock on a Chip - TACC) et l'extension de cette technologie vers la réalisation d'un interféromètre atomique sur la même puce. Cette combinaison constitue la base pour la réalisation de capteurs inertiels intégrés pour la navigation. Des travaux antérieurs ont installé l'horloge et ont découvert, entre autres, des temps de cohérence très longs, qui permettent une interrogation Ramsey jusqu'à 5 s, une condition préalable pour le fonctionnement à grande stabilité. Je présente ici la première évaluation approfondie de la stabilité de l'horloge. Avec mon prédécesseur, nous avons démontré les fluctuations de fréquences relatives de 5.8 10-13 à 1 s intégrant jusqu'à 6 10-15 à 30000 s.La deuxième partie de cette thèse vise à étendre la polyvalence de notre puce atomique pour créer un interféromètre. J'ai étudié divers régimes d'interféromètres en utilisant des potentiels habillés par microondes. Le premier régime consiste à déplacer l'un des états d'horloge verticalement pendant une séquence d'horloge Ramsey. Ceci permet la mesure de gradients de potentiel en exploitant la différence de fréquences entre les deux états. Le second régime utilise des champs microondes pour générer un potentiel de double puits dans l'un des états d'horloge et un seul puits dans l'autre.À partir du seul puits, un pulse-π sur la transition d'horloge constitue la séparatrice de l'interféromètre et conduit une séparation spatiale tout en préservant le même état interne pour les deux bras de l'interféromètre.
Intermédiaire essentiel au dialogue entre théorie et vérification expérimentale, la mesure n'a de sens que si la précision des résultats est élevée. La métrologie en laboratoire s'attache à augmenter autant que possible la précision avec laquelle l'expérimentateur a accès à la valeur d'un paramètre. Le bruit quantique affectant la mesure impose une limite sur la précision maximale accessible à partir d'états quasi-classiques: la limite quantique standard (SQL). La métrologie quantique cherche à utiliser les caractéristiques propres à la mécanique quantique pour la dépasser et se rapprocher le plus possible de la limite ultime, physiquement non franchissable, appelée limite de Heisenberg. Dans ce mémoire, nous avons développé une stratégie de mesure d'un champ électromagnétique contenant moins d'un photon basée sur l'utilisation de corrélations atome-champ dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. L'idée est de mesurer l'amplitude de ce petit champ en sondant la perturbation qu'il introduit sur un état intriqué atome-champ mésoscopique déjà présent dans une cavité supraconductrice. Nous avons pu démontrer que le choix de notre mesure est, en principe, optimal grâce aux outils que sont l'information de Fisher (dépendant du processus de mesure) et l'information de Fisher dite quantique (qui elle n'en dépend pas), liées à la précision sur la mesure par des inégalités de type Cramér-Rao. Expérimentalement, nous avons très largement dépassé la précision obtenue sur l'amplitude du champ électromagnétique par une mesure classique et nous nous sommes rapprochés de la limite de Heisenberg autant que les imperfections expérimentales nous le permettaient.
Le travail présenté dans ce manuscrit porte sur le développement d'un capteur inertiel basé sur des atomes froids piégés sur une puce atomique pour la navigation inertielle. Basés sur les principes de l'interférométrie atomique, ces dispositifs exploitent les propriétés quantiques des atomes froids pour mesurer avec précision les accélérations et les rotations. La complexité expérimentale et l'encombrement de ces expériences de laboratoire constituent des obstacles majeurs pour certaines applications embarquées. A la fin des années 1990, il a été démontré la possibilité de piéger et manipuler des atomes sur des puces atomiques, rendant possible une réduction significative de la taille des capteurs à atomes froids ainsi que de leur consommation énergétique. Ces travaux de thèse s'inscrivent dans un effort de miniaturisation et d'optimisation des capteurs quantiques, visant à démontrer la faisabilité d'une architecture compacte.Notre capteur inertiel est basé sur une séquence de Ramsey avec une séparation spatiale des états internes, rendant l'interféromètre sensible aux accélérations.Nous démontrons en particulier un bruit sur la mesure d'accélération de 3 mg par coup et une étude approfondie du budget de bruit de l'accéléromètre est également réalisée.En plus de la réduction de la taille du capteur lui-même avec une puce atomique, un travail est effectué sur la miniaturisation du système optique nécessaire à la préparation des faisceaux laser de l'expérience. En collaboration avec Exail, nous avons conçu un banc optique miniature d'un volume de 4,4 L permettant de refroidir les atomes dans un piège magnéto-optique 3D et promet de réduire davantage la taille des capteurs à atomes froids pour des applications embarquées.