Cavity-enhanced quantum engineering of light with cold Rydberg atoms

Abstract

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.