Réception Quantique Cohérente du Fond Diffus Cosmologique : Une proposition pour la détection sensible à la phase et la tomographie d'état quantique du champ thermique primordial
Ce travail propose, pour la première fois sous forme expérimentale explicite, une architecture de détection cohérente et sensible à la phase des modes photoniques individuels du Fond Diffus Cosmologique (FDC) à 160 GHz, avec pour objectif la reconstruction de l'état quantique complet du champ de rayonnement thermique primordial. Le FDC est un champ quantique véritable. Chaque mode électromagnétique à 160 GHz constitue un état thermique de Bose-Einstein de nombre moyen de photons n̅ ≈ 3×10⁻⁴ — soit un régime où les fluctuations du vide quantique dominent l'énergie thermique par un facteur 1700. Sa distribution de Wigner, ses probabilités d'états de Fock et sa cohérence du second ordre g⁺²⁻(0) n'ont jamais été mesurées directement. Toutes les expériences CMB existantes — COBE, WMAP, Planck, Observatoire Simons — sont des détecteurs de puissance, constitutionnellement aveugles à la structure quantique du champ. Ce travail identifie les cinq barrières technologiques séparant l'instrumentation actuelle de la tomographie d'état quantique du FDC, et propose une chaîne de détection concrète fondée sur un Amplificateur Paramétrique Josephson (APJ) opérant à 160 GHz au sein d'un réfrigérateur à dilution à T ≈ 20 mK. Le défi central est l'extension des APJ existants — actuellement limités à 24 GHz — jusqu'à la fréquence de pic du FDC. La solution proposée repose sur l'amplification sensible à la phase (squeezing, r ≈ 1,5, soit ~13 dB) permettant de descendre sous la Limite Quantique Standard et d'approcher le niveau du signal thermique primordial. Deux observables sont ciblées. La première est la mesure de g⁺²⁻(0) via la statistique de coïncidences photoniques : le super-bunching bosonique du champ thermique primordial est détectable à 10σ en approximativement 3 heures d'intégration avec une efficacité de détection optimisée. La seconde est la reconstruction de la fonction de Wigner W(X,P) par tomographie homodyne sur 100 angles de phase, nécessitant 10⁸ mesures par angle à une cadence de 1 MHz — soit environ 10⁴ secondes d'intégration totale, dans les capacités d'un système cryogénique stable. Les implications scientifiques sont multiples : première preuve directe de la nature quantique du FDC, test de la théorie quantique des champs en espace-temps courbe, sonde de la cohérence bosonique sur des distances cosmologiques de 13,8 milliards d'années, et ouverture d'un outil thermométrique sub-classique contraint par la borne quantique de Cramér-Rao plutôt que par la limite radiométrique classique. Ce travail est publié en accès ouvert comme point de départ citable pour un programme expérimental qu'aucune collaboration actuelle n'a encore entrepris. Il sera suivi d'une Section Spéciale VLCC proposant une lecture morphogénique des observables ciblés et des prédictions différentiables par rapport à la théorie quantique des champs standard.
Ce travail propose, pour la première fois sous forme expérimentale explicite, une architecture de détection cohérente et sensible à la phase des modes photoniques individuels du Fond Diffus Cosmologique (FDC) à 160 GHz, avec pour objectif la reconstruction de l'état quantique complet du champ de rayonnement thermique primordial. Le FDC est un champ quantique véritable. Chaque mode électromagnétique à 160 GHz constitue un état thermique de Bose-Einstein de nombre moyen de photons n̅ ≈ 3×10⁻⁴ — soit un régime où les fluctuations du vide quantique dominent l'énergie thermique par un facteur 1700. Sa distribution de Wigner, ses probabilités d'états de Fock et sa cohérence du second ordre g⁺²⁻(0) n'ont jamais été mesurées directement. Toutes les expériences CMB existantes — COBE, WMAP, Planck, Observatoire Simons — sont des détecteurs de puissance, constitutionnellement aveugles à la structure quantique du champ. Ce travail identifie les cinq barrières technologiques séparant l'instrumentation actuelle de la tomographie d'état quantique du FDC, et propose une chaîne de détection concrète fondée sur un Amplificateur Paramétrique Josephson (APJ) opérant à 160 GHz au sein d'un réfrigérateur à dilution à T ≈ 20 mK. Le défi central est l'extension des APJ existants — actuellement limités à 24 GHz — jusqu'à la fréquence de pic du FDC. La solution proposée repose sur l'amplification sensible à la phase (squeezing, r ≈ 1,5, soit ~13 dB) permettant de descendre sous la Limite Quantique Standard et d'approcher le niveau du signal thermique primordial. Deux observables sont ciblées. La première est la mesure de g⁺²⁻(0) via la statistique de coïncidences photoniques : le super-bunching bosonique du champ thermique primordial est détectable à 10σ en approximativement 3 heures d'intégration avec une efficacité de détection optimisée. La seconde est la reconstruction de la fonction de Wigner W(X,P) par tomographie homodyne sur 100 angles de phase, nécessitant 10⁸ mesures par angle à une cadence de 1 MHz — soit environ 10⁴ secondes d'intégration totale, dans les capacités d'un système cryogénique stable. Les implications scientifiques sont multiples : première preuve directe de la nature quantique du FDC, test de la théorie quantique des champs en espace-temps courbe, sonde de la cohérence bosonique sur des distances cosmologiques de 13,8 milliards d'années, et ouverture d'un outil thermométrique sub-classique contraint par la borne quantique de Cramér-Rao plutôt que par la limite radiométrique classique. Ce travail est publié en accès ouvert comme point de départ citable pour un programme expérimental qu'aucune collaboration actuelle n'a encore entrepris. Il sera suivi d'une Section Spéciale VLCC proposant une lecture morphogénique des observables ciblés et des prédictions différentiables par rapport à la théorie quantique des champs standard.
Depuis un siècle, l'astronomie observationnelle mesure essentiellement l'intensité, le spectre, la polarisation et le temps d'arrivée du rayonnement électromagnétique. L'état quantique du champ lui-même — sa distribution de Wigner, ses probabilités d'états de Fock, sa cohérence du second ordre — n'est en revanche presque jamais caractérisé directement pour une source astrophysique. Ce travail propose un cadre de tomographie d'état quantique en un point de réception unique, fondé sur la détection homodyne à la limite quantique via amplification paramétrique Josephson, applicable en principe à toute source électromagnétique quasi-thermique dont le nombre d'occupation photonique se situe dans le régime de faible occupation (n̄ ≲ 1). Le cadre est formalisé explicitement (Définitions 1-2, Corollaire 1), définissant une fenêtre N_X(r) < n̄(ν,T) < 1 à l'intérieur de laquelle la tomographie devient praticable, dont la largeur dépend de la technologie de compression disponible. Résumé : Nous formalisons la condition d'accès à ce régime et la fenêtre de détectabilité pratique qui en résulte, détaillons une architecture générique de réception, et proposons un diagramme température-fréquence permettant de situer toute source candidate par rapport à ce critère. Nous présentons le Fond Diffus Cosmologique (FDC) à 160 GHz comme étude de cas la plus exigeante — reprenant et corrigeant les résultats numériques d'un travail antérieur (Vronsky, 2026, doi:10.5281/zenodo.21370793) — et un corps noir de laboratoire accordable comme second point de validation, nettement plus accessible, reproduisant exactement la physique statistique du FDC dans des conditions de laboratoire contrôlées. Nous situons ce travail par rapport à l'interférométrie d'intensité de type Hanbury Brown-Twiss (1952) et à la feuille de route communautaire récente sur l'astronomie quantique centrée sur l'imagerie interférométrique (Lau et al., 2024), dont il se distingue par son objet — la caractérisation de l'état quantique en un point plutôt que la résolution spatiale. Ce travail se présente comme un cadre méthodologique et une feuille de route instrumentale, et non comme un compte-rendu de réalisation expérimentale.
Ces dernières années, les variables continues ont émergées en tant qu alternative aux variables discrètes dans les communications quantiques. Cette thèse s'inscrit dans ce cadre des communications quantiques avec des variables continues. Les variables continues utilisées ici sont les quadratures d'un mode du champ électromagnétique. Pour les mesurer, nous avons construit une détection homodyne équilibrée, limitée au bruit de photons, impulsionnelle et résolue en temps. Celle-ci peut effectuer 800 000 mesures par seconde. En se fondant sur la limite de la duplication quantique, nous montrons qu'une valeur de la fidélité supérieure à 2/3 dans un protocole de téléportation quantique garantit que l'état téléporté est la meilleure copie qui reste de l'état d'entrée. Nous introduisons de nouveaux protocoles de distribution quantique de clef utilisant des variables quantiques continues, sûrs face à des attaques individuelles pour toute valeur de la transmission de la ligne optique entre Alice et Bob. En particulier, il n'est pas nécessaire que cette transmission soit plus grande que 50 % (moins de 3 dB de pertes). Ni compression des fluctuations quantiques, ni intrication ne sont nécessaires. Nous avons implémenté expérimentalement ces protocoles, en utilisant la détection homodyne limitée au bruit de photon mentionnée plus haut et des états cohérents. L'extraction complète de la clef secrète est réalisée en utilisant une technique de réconciliation par tranches inversée suivie d amplification de confidentialité. Notre dispositif expérimental produit un taux net de transmission de clef de 1,7 megabits par seconde pour une ligne sans pertes, et 75 kilobits par seconde pour une ligne avec 3,1 dB de pertes. Les limitations actuelles sont essentiellement techniques et proviennent surtout de l'efficacité limitée du logiciel de réconciliation.
Les circuits supraconducteurs sont des systèmes quantiques artificiels dont les propriétés peuvent être choisies pour répondre aux exigences de chaque application spécifique. Un circuit supraconducteur typique est conçu pour avoir une transition suffisamment anharmonique pour être utilisée comme un qubit, qui peut être facilement manipulé et lu grâce à son interaction forte (dipolaire) avec le champ électromagnétique. Un fort moment dipolaire fort est particulièrement intéressant en vue d'interfacer le circuit supraconducteur avec d'autres systèmes quantiques. Par exemple, la fluorescence de spins électroniques individuels a été détectée avec succès en utilisant un détecteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur, opérant dans la bande des 5-10 GHz. Dans le domaine de l'acousto-dynamique sur circuit (cQAD), le couplage entre un qubit et un résonateur piézoélectrique est utilisé pour détecter et manipuler l'état phononique, typiquement dans la plage 2-10 GHz. Cependant, adapter ces schémas de détection à des fréquences inférieures, en dessous de la fréquence de fonctionnement conventionnelle des qubits supraconducteurs, s'accompagne de nouveaux défis. D'abord, les qubits supraconducteurs sont lus grâce à l'intéraction dispersive avec un résonateur supraconducteur auxiliaire. Le couplage dispersif diminuant rapidement lorsque le désaccord dépasse l'anharmonicité du qubit, les qubits faiblement anharmoniques, tels que les transmons, nécessitent des résonateurs presque résonants dont les dimensions évoluent inversement avec la fréquence (par exemple, une cavité coplanaire λ/2 de 1 MHz nécessite un guide d'onde de 100 m de long). Deuxièmement, les systèmes à basse fréquence sont couplés à un bain thermique chaud avec lequel ils échangent des photons de manière aléatoire, transformant rapidement les états quantiques purs en mélanges statistiques. Le qubit fluxonium, composé d'une jonction Josephson court-circuitée simultanément par une grande inductance et une capacité, présente des opportunités uniques dans le domaine des qubits supraconducteurs à basse fréquence. Dans ce travail, nous démontrons un fluxonium lourd avec une fréquence de transition exceptionnellement basse de 1.8 MHz, tout en maintenant la capacité de manipuler et de lire le qubit en utilisant des techniques micro-ondes standard. Cela est rendu possible par le spectre d'énergie hautement non linéaire du fluxonium, où la première transition se produit dans la plage des MHz tandis que les transitions vers des états excités supérieurs sont dans la plage 3-10 GHz. Nous démontrons avec succès le refroidissement par bande latérale résolue du fluxonium, réduisant sa température effective à 23 μK et atteignant une population de l'état fondamental de 97,7%. Nos expériences révèlent en outre les capacités de manipulation cohérente du qubit, avec des temps de cohérence de T1 = 34 μs et T2* = 39 μs, accompagnés d'une lecture d'état projective.Nous démontrons en outre la sensibilité accrue du qubit aux champs de radiofréquence, obtenue par interaction directe avec un guide d'onde couplé capacitivement. En employant un protocole de préparation et de mesure cyclique, nous transformons le fluxonium en un capteur de charge résolu en fréquence précis, affichant une sensibilité de charge de 33 μe/√Hz. Cela se traduit par une sensibilité énergétique de 2.8ℏ par hertz, rivalisant avec les capteurs basés sur le transport, tout en restant intrinsèquement immunisé aux offsets de charge DC. La grande capacité de l'électrode ce notre capteur de charge basé sur le fluxonium (~50 fF) est très bénéfique dans les applications réelles de détection de charge, où la sensibilité est diluée lorsque la capacité propre du système sondé dépasse celle du capteur. Ce travail ouvre la voie à de nouvelles investigations expérimentales sur les phénomènes quantiques dans la plage de 1 à 10 MHz, y compris le régime de couplage fort avec des résonateurs mécaniques macroscopiques.
Résonance magnétique avec des champs micro-ondes quantiques Dans une expérience classique de résonance paramagnétique électronique (RPE), le couplage entre les spins et leur environnement électromagnétique est faible, limitant considérablement la sensibilité de la mesure. Grâce à l’utilisation combinée d'un amplificateur paramétrique Josephson et de micro-résonateurs supraconductuers de hauts facteurs de qualité refroidis à quelques millikelvins, ce travail rapporte la conception et la mise en œuvre d’un spectromètre RPE dont la sensibilité de détection est limitée par les fluctuations quantiques du champ électromagnétique au lieu d’un bruit d’origine thermique ou technique. Des mesures de RPE pulsée sur un ensemble de doneurs Bismuth dans le silicium permettent de démontrer une sensibilité de 1700 spins détectés par écho de Hahn avec un signal-sur-bruit unitaire. La sensibilité est encore améliorée en générant un état de vide comprimé dans le guide d'onde de détection, ce qui réduit les fluctuations quantiques au-delà de la limite quantique. Les hauts facteurs de qualité et le petit volume de mode du résonateur supraconducteur développés pour une sensibilité accrue accroit également le couplage spin-résonateur jusqu'au point où les fluctuations quantiques ont un effet dramatique sur la dynamique des spins. En effet, l’émission spontanée de photons dans le résonateur micro-onde est considérablement renforcée par l'effet Purcell, ce qui en fait le mécanisme de relaxation de spin dominant. Le taux de relaxation est augmenté de trois ordres de grandeur lorsque les spins sont accordés à résonance, démontrant que la relaxation de spin peut-être contrôlée sur demande. Nos résultats fournissent une méthode nouvelle et universelle pour initialiser des systèmes de spin dans leur état fondamental, avec des applications en résonance magnétique et en information quantique.
Grâce à leur grande sensibilité intrinsèque, les plateformes d'atomes froids constituent des systèmes de choix pour la réalisation de mesures de haute précision. Le travail présenté dans cette thèse vise à répondre à la question suivante : quelle est la précision maximale pouvant être atteinte pour la mesure d'un paramètre physique donné en un laps de temps fini ? Pour aborder cette problématique, le formalisme de l'information de Fisher s'avère particulièrement adapté. Selon ce formalisme, la précision sur l'estimation d'un paramètre reposant sur les résultats d'une expérience est bornée par l'inverse de la racine carrée du nombre de mesures, multiplié par l'information de Fisher. Deux notions d'information de Fisher doivent être distinguées : l'information de Fisher classique, qui détermine la précision accessible pour un protocole de mesure donné, et l'information de Fisher quantique, qui borne l'information de Fisher classique quel que soit le protocole de mesure et définit la quantité maximale d'information accessible indépendamment du choix des mesures réalisées. L'objectif de ce travail a ainsi été de développer des méthodes de maximisation de l'information de Fisher, tant classique que quantique, afin d'améliorer la précision des mesures. Ces méthodes ont ensuite été mises en œuvre sur notre dispositif expérimental constitué d'un condensat de Bose-Einstein d'atomes de rubidium-87, placé dans un réseau optique périodique contrôlable en phase et en amplitude. L'état du condensat dans ce réseau peut être manipulé à l'aide d'outils de contrôle optimal, permettant de préparer des états quantiques arbitraires. L'état quantique du système est ensuite mesuré dans l'espace des impulsions par un processus de temps de vol, donnant un accès direct aux probabilités d'occupation des états d'impulsion quantifiés du système. Nous avons montré comment l'utilisation conjointe du formalisme de l'information de Fisher et du contrôle optimal permet d'optimiser la précision de la mesure d'un paramètre physique en temps fini à partir de ces distributions de probabilités accessibles. Le manuscrit s'organise en cinq chapitres. Un premier chapitre est consacré à la description du dispositif expérimental, incluant le principe du refroidissement des atomes et la modélisation numérique du système dans un réseau optique unidimensionnel. Le second chapitre présente le formalisme de l'information de Fisher de manière générale, en détaillant les notions d'information de Fisher classique et quantique ainsi que leur lien avec la précision des mesures, et en abordant la recherche de protocoles de mesure optimaux permettant d'atteindre l'information de Fisher quantique. Le troisième chapitre applique ce formalisme à la mesure précise de la profondeur du potentiel périodique du réseau optique. Le quatrième chapitre est dédié au contrôle optimal et à son utilisation pour piloter finement l'état quantique du système sous contraintes expérimentales réalistes. Enfin, le dernier chapitre montre comment ces outils de contrôle optimal peuvent être exploités pour mettre en œuvre des protocoles de mesure optimisés en temps fini d'une force appliquée au système, qu'il s'agisse d'une accélération du réseau ou d'une force d'origine magnétique. Nous montrons que les dynamiques optimisées par le contrôle optimal dans le but de maximiser l'information de Fisher présentent de fortes similarités avec des dynamiques issues de l'interférométrie. En particulier, l'évolution de l'information de Fisher obtenue à partir de ces optimisations est très proche de celle associée à des séquences interférométriques explicitement définies. Par ailleurs, nous montrons que la structure de la dynamique peut être modifiée en fonction des contraintes expérimentales imposées lors de l'optimisation. Ce chapitre se conclut par la mise en œuvre réussie de ces protocoles pour la mesure optimisée d'une force induite par une accélération ou par un gradient de champ magnétique.
Notre dispositif d'électrodynamique quantique en cavité permet de faire interagir dans le régime de couplage fort deux systèmes simples et parfaitement contrôlés : des atomes à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique. Des miroirs supraconducteurs permettent de stocker le champ électromagnétique micro-onde dans une cavité pendant plus d'un dixième de seconde. Afin de sonder et de manipuler le champ piégé, nous utilisons des atomes de Rubidium excités dans les états de Rydberg circulaires. Les atomes interagissent un à un avec la cavité dans le régime dispersif. Ils se comportent alors comme de petites horloges dont la fréquence est affectée par les photons piégés grâce au phénomène de déplacement lumineux. Les petites modifications de la phase atomique après la traversée du mode sont mesurées par interférométrie de Ramsey, permettant de compter le nombre de photons piégés. En adaptant légèrement la méthode, on parvient à reconstruire complètement la matrice densité du champ piégé. Cette technique a été appliquée à différents états non-classiques du champ : des états de Fock, dont le nombre de photons est parfaitement déterminé, et des états chat de Schrödinger. Ces derniers sont formés de la superposition quantique de deux champs classiques de phases différentes. En répétant la procédure de reconstruction pour plusieurs délais successifs après la préparation, on obtient un film image par image de l'évolution temporelle de l'état. L'étude de l'évolution de l'état chat de Schrödinger sous l'effet de la décohérence apporte un éclairage intéressant sur le problème de la mesure en mécanique quantique et la frontière entre les mondes classique et quantique.