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.
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.
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.
Génération de tableaux de pinces optiques à grand champ et observation de la dynamique d’échange de spin entre deux atomes de Rydberg circulaires piégés Cette thèse développe et utilise une plateforme expérimentale à température ambiante pour la simulation quantique, basée sur des atomes de rubidium piégés optiquement et excités dans des états de Rydberg circulaires. Le cœur du travail repose sur une architecture hybride : des atomes cible sont préparés dans des états circulaires, qui encodent l'information, tandis que des atomes ancillaires sont excités vers des états de Rydberg à faible l, accessibles optiquement. Ces derniers permettent l'adressage local, les opérations conditionnelles et la lecture des états circulaires des atomes cibles, en se plaçant à proximité d'une résonance de Förster. La première partie de la thèse aborde un obstacle majeur au passage à l'échelle des tableaux de pinces optiques à grand champ : les aberrations optiques, qui dégradent la qualité du piège loin de l'axe optique. Nous présentons une méthode basée sur des signaux atomiques pour calibrer un modèle de distorsion du front d'onde dépendant spatialement du champ. Ce modèle constitue un élément central d'un algorithme de génération de tableaux développé précédemment au sein de l'équipe, permettant une correction des aberrations site par site aux positions programmées des pinces optiques. En utilisant la lentille asphérique commerciale incorporée dans notre dispositif expérimental, nous obtenons des pièges homogènes, proches de la limite de diffraction, sur un champ de vision de 150 × 342 µm², limité par le clipping optique. En nous appuyant sur ces outils, nous réalisons des tableaux hybrides combinant des faisceaux bouteille pour les atomes circulaires et des pinces optiques gaussiennes pour les atomes ancillaires. Nous observons ainsi une dynamique cohérente d'échange de spin, due à l'interaction dipôle-dipôle résonnante entre deux atomes circulaires préparés dans l'état |53C;54C⟩. La couche ancillaire intervient à trois étapes : elle permet la préparation conditionnelle de l'état de pair d'atomes circulaires, contribue à générer un signal de post-sélection qui identifie les séquences réussies, et permet la lecture de l'état circulaire des atomes cibles. L'ancillaire étant accessible optiquement, elle permet le contrôle et la mesure locaux d'états circulaires. Ces résultats constituent une preuve de principe pour la simulation quantique facilitée par des ancillaires, avec des atomes de Rydberg circulaires dans une plateforme hybride. Ils motivent des améliorations à court terme ciblant directement les limites identifiées, en particulier le passage dans un milieu cryogénique pour accéder à la longue durée de vie intrinsèque des états circulaires, ainsi qu'un refroidissement efficace des atomes pour les préparer à l'état fondamental du mouvement dans les pièges. En prolongeant les temps de cohérence et en réduisant l'amortissement induit par le mouvement, ces améliorations élargiraient la marge de manœuvre dont nous disposons sur les paramètres expérimentaux et pourraient permettre d'observer des centaines d'oscillations d'échange avec un contraste proche de l'unité. Combinées au contrôle local résolu par site et à la lecture non-destructive des états circulaires rendus possibles par la couche ancillaire, ces évolutions permettraient d'explorer des dynamiques lentes à N corps à l'aide de tableaux atomiques plus grands. A moyen terme, moyennant des améliorations supplémentaires, par exemple en imagerie rapide et d'haute-fidélité, elles ouvriraient également la voie à des mesures à mi-circuit assistées par ancillaire.
Nous avons récemment proposé une nouvelle plateforme pour la simulation quantique utilisant des atomes de Rydberg circulaires. Ces états bénéficient à la fois de fortes interactions dipolaires et de longs temps de vie, permettant d'encoder des qubits de bonne qualité. La dynamique naturelle d'un réseau d'états de Rydberg circulaires est décrite par les hamiltoniens de Heisenberg XX ou XXZ, en fonction de l'encodage des spins 1/2. Cette thèse s'inscrit dans le cadre de la construction de ce simulateur, dans lequel nous avons précédemment observé le piégeage par laser d'un réseau d'atomes de Rydberg circulaires et leur mesure destructive, puis caractérisé l'interaction entre deux d'entre eux. Nous présentons d'abord les techniques holographiques qui nous permettent de piéger un réseau d'atomes dans des pinces optiques. Ces techniques incluent la génération de réseaux optiques et de faisceaux creux, nécessaires pour piéger les états de Rydberg. Nous discutons largement des méthodes de correction des aberrations, en mettant l'accent sur une nouvelle méthode qui permet de produire des réseaux de pinces optiques sans aberrations de taille millimétrique à l'aide d'une lentille asphérique. Dans la seconde partie, nous introduisons des protocoles pour effectuer la mesure QND (quantique non destructive) et la manipulation d'atomes de Rydberg circulaires individuels. Ces protocoles sont basés sur le blocage dipolaire entre l'atome circulaire et un atome auxiliaire, induit par une résonance de Förster. La mesure QND implique l'intrication entre les deux atomes et l'imagerie par fluorescence de l'atome auxiliaire. En appliquant un déplacement lumineux local à l'atome auxiliaire, nous pouvons contrôler son état et sa capacité à bloquer une transition microonde de l'atome circulaire. Nous testons finalement ces nouveaux protocoles en observant l'interaction d'échange entre deux atomes de Rydberg circulaires.
Cette thèse développe et utilise une plateforme expérimentale à température ambiante pour la simulation quantique, basée sur des atomes de rubidium piégés optiquement et excités dans des états de Rydberg circulaires. Le cœur du travail repose sur une architecture hybride : des atomes cible sont préparés dans des états circulaires, qui encodent l'information, tandis que des atomes ancillaires sont excités vers des états de Rydberg à faible l, accessibles optiquement. Ces derniers permettent l'adressage local, les opérations conditionnelles et la lecture des états circulaires des atomes cibles, en se plaçant à proximité d'une résonance de Förster. La première partie de la thèse aborde un obstacle majeur au passage à l'échelle des tableaux de pinces optiques à grand champ : les aberrations optiques, qui dégradent la qualité du piège loin de l'axe optique. Nous présentons une méthode basée sur des signaux atomiques pour calibrer un modèle de distorsion du front d'onde dépendant spatialement du champ. Ce modèle constitue un élément central d'un algorithme de génération de tableaux développé précédemment au sein de l'équipe, permettant une correction des aberrations site par site aux positions programmées des pinces optiques. En utilisant la lentille asphérique commerciale incorporée dans notre dispositif expérimental, nous obtenons des pièges homogènes, proches de la limite de diffraction, sur un champ de vision de 150 × 342 µm², limité par le clipping optique. En nous appuyant sur ces outils, nous réalisons des tableaux hybrides combinant des faisceaux bouteille pour les atomes circulaires et des pinces optiques gaussiennes pour les atomes ancillaires. Nous observons ainsi une dynamique cohérente d'échange de spin, due à l'interaction dipôle-dipôle résonnante entre deux atomes circulaires préparés dans l'état |53C;54C⟩. La couche ancillaire intervient à trois étapes : elle permet la préparation conditionnelle de l'état de pair d'atomes circulaires, contribue à générer un signal de post-sélection qui identifie les séquences réussies, et permet la lecture de l'état circulaire des atomes cibles. L'ancillaire étant accessible optiquement, elle permet le contrôle et la mesure locaux d'états circulaires. Ces résultats constituent une preuve de principe pour la simulation quantique facilitée par des ancillaires, avec des atomes de Rydberg circulaires dans une plateforme hybride. Ils motivent des améliorations à court terme ciblant directement les limites identifiées, en particulier le passage dans un milieu cryogénique pour accéder à la longue durée de vie intrinsèque des états circulaires, ainsi qu'un refroidissement efficace des atomes pour les préparer à l'état fondamental du mouvement dans les pièges. En prolongeant les temps de cohérence et en réduisant l'amortissement induit par le mouvement, ces améliorations élargiraient la marge de manœuvre dont nous disposons sur les paramètres expérimentaux et pourraient permettre d'observer des centaines d'oscillations d'échange avec un contraste proche de l'unité. Combinées au contrôle local résolu par site et à la lecture non-destructive des états circulaires rendus possibles par la couche ancillaire, ces évolutions permettraient d'explorer des dynamiques lentes à N corps à l'aide de tableaux atomiques plus grands. A moyen terme, moyennant des améliorations supplémentaires, par exemple en imagerie rapide et d'haute-fidélité, elles ouvriraient également la voie à des mesures à mi-circuit assistées par ancillaire.
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.
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.