Les atomes individuels piégés dans des pinces optiques constituent une plateforme prometteuse pour la réalisation de simulations quantiques. Dans l'approche analogique, les interactions entre les atomes excités vers des états de Rydberg permettent de reproduire le comportement d'un système quantique que l'on souhaite étudier et pour lequel les ressources en simulation d'un ordinateur classique deviennent rapidement limitées. Une autre approche, dite de simulation digitale, vise quant à elle à directement utiliser les atomes comme briques de base pour implémenter des portes quantiques, ouvrant le champ à de nouveaux algorithmes pouvant offrir un avantage en complexité sur certains problèmes. L'un des défis majeurs pour développer cette technologie est le passage à l'échelle du nombre d'atomes contrôlés, de quelques centaines à plusieurs milliers. La mise en place d'une expérience en environnement cryogénique est une solution possible à ce problème, en permettant d'augmenter considérablement la durée de vie des atomes dans les pinces optiques et donc le temps effectif pendant lequel ils peuvent être manipulés sans perte. Un autre avantage apporté par un système cryogénique est l'augmentation du temps de cohérence des atomes de Rydberg en réduisant le rayonnement du corps noir, qui peut introduire des transitions non désirées pendant le calcul quantique. Durant ma thèse, nous avons repris la plateforme cryogénique développée par Kai-Niklas Schymik dans laquelle un temps de vie de ∼ 6000 s d'un atome dans une pince a été mesuré mais pour laquelle le système optique intégré à 4 K ne permettait pas de générer de grandes matrices de pièges. Nous avons donc modifié le système optique sous vide pour intégrer des objectifs de microscope permettant une meilleure qualité optique dans le champ transverse pour la création de pièges. Dans ce manuscrit, nous évoquons les complications liées à la combinaison d'objectifs à haute ouverture numérique avec un système cryogénique. Une première itération de design a permis la génération d'un grand nombre de pièges (∼ 2000) dans un environnement partiellement cryogénique, mais sans pour autant conserver des durées de vie élevées des atomes dans les pinces. Ces derniers valaient au mieux ∼ 800 s puis se dégradaient au bout de quelques jours vers quelques dizaines de secondes. L'étude de ce système nous a permis de finalement mieux comprendre les mécanismes en jeux dans une cryopompe et de construire un nouveau cœur optique offrant à la fois une haute performance en termes de niveau de vide (∼ 5000 s de temps de vie) et en termes du nombre de pièges optiques pouvant être générés (> 2000). De premiers résultats ont permis de démontrer dans ce nouveau système l'assemblage avec une unique pince mobile de 1024 atomes uniques avec une fidélité élevée (dans ∼ 10 % des cas sans aucun défaut). L'utilisation d'une telle plateforme cryogénique de pair avec le développement de nouvelles techniques d'assemblage ouvre la voie à des avancées majeures en matière de passage à l'échelle pour une technologie quantique.
Les atomes individuels piégés dans des pinces optiques constituent une plateforme prometteuse pour la réalisation de simulations quantiques. Dans l'approche analogique, les interactions entre les atomes excités vers des états de Rydberg permettent de reproduire le comportement d'un système quantique que l'on souhaite étudier et pour lequel les ressources en simulation d'un ordinateur classique deviennent rapidement limitées. Une autre approche, dite de simulation digitale, vise quant à elle à directement utiliser les atomes comme briques de base pour implémenter des portes quantiques, ouvrant le champ à de nouveaux algorithmes pouvant offrir un avantage en complexité sur certains problèmes. L'un des défis majeurs pour développer cette technologie est le passage à l'échelle du nombre d'atomes contrôlés, de quelques centaines à plusieurs milliers. La mise en place d'une expérience en environnement cryogénique est une solution possible à ce problème, en permettant d'augmenter considérablement la durée de vie des atomes dans les pinces optiques et donc le temps effectif pendant lequel ils peuvent être manipulés sans perte. Un autre avantage apporté par un système cryogénique est l'augmentation du temps de cohérence des atomes de Rydberg en réduisant le rayonnement du corps noir, qui peut introduire des transitions non désirées pendant le calcul quantique. Durant ma thèse, nous avons repris la plateforme cryogénique développée par Kai-Niklas Schymik dans laquelle un temps de vie de ∼ 6000 s d'un atome dans une pince a été mesuré mais pour laquelle le système optique intégré à 4 K ne permettait pas de générer de grandes matrices de pièges. Nous avons donc modifié le système optique sous vide pour intégrer des objectifs de microscope permettant une meilleure qualité optique dans le champ transverse pour la création de pièges. Dans ce manuscrit, nous évoquons les complications liées à la combinaison d'objectifs à haute ouverture numérique avec un système cryogénique. Une première itération de design a permis la génération d'un grand nombre de pièges (∼ 2000) dans un environnement partiellement cryogénique, mais sans pour autant conserver des durées de vie élevées des atomes dans les pinces. Ces derniers valaient au mieux ∼ 800 s puis se dégradaient au bout de quelques jours vers quelques dizaines de secondes. L'étude de ce système nous a permis de finalement mieux comprendre les mécanismes en jeux dans une cryopompe et de construire un nouveau cœur optique offrant à la fois une haute performance en termes de niveau de vide (∼ 5000 s de temps de vie) et en termes du nombre de pièges optiques pouvant être générés (> 2000). De premiers résultats ont permis de démontrer dans ce nouveau système l'assemblage avec une unique pince mobile de 1024 atomes uniques avec une fidélité élevée (dans ∼ 10 % des cas sans aucun défaut). L'utilisation d'une telle plateforme cryogénique de pair avec le développement de nouvelles techniques d'assemblage ouvre la voie à des avancées majeures en matière de passage à l'échelle pour une technologie quantique.
Les atomes individuels piégés dans des pinces optiques constituent une plateforme prometteuse pour la réalisation de simulations quantiques. Dans l'approche analogique, les interactions entre les atomes excités vers des états de Rydberg permettent de reproduire le comportement d'un système quantique que l'on souhaite étudier et pour lequel les ressources en simulation d'un ordinateur classique deviennent rapidement limitées. Une autre approche, dite de simulation digitale, vise quant à elle à directement utiliser les atomes comme briques de base pour implémenter des portes quantiques, ouvrant le champ à de nouveaux algorithmes pouvant offrir un avantage en complexité sur certains problèmes. L'un des défis majeurs pour développer cette technologie est le passage à l'échelle du nombre d'atomes contrôlés, de quelques centaines à plusieurs milliers. La mise en place d'une expérience en environnement cryogénique est une solution possible à ce problème, en permettant d'augmenter considérablement la durée de vie des atomes dans les pinces optiques et donc le temps effectif pendant lequel ils peuvent être manipulés sans perte. Un autre avantage apporté par un système cryogénique est l'augmentation du temps de cohérence des atomes de Rydberg en réduisant le rayonnement du corps noir, qui peut introduire des transitions non désirées pendant le calcul quantique. Durant ma thèse, nous avons repris la plateforme cryogénique développée par Kai-Niklas Schymik dans laquelle un temps de vie de ∼ 6000 s d'un atome dans une pince a été mesuré mais pour laquelle le système optique intégré à 4 K ne permettait pas de générer de grandes matrices de pièges. Nous avons donc modifié le système optique sous vide pour intégrer des objectifs de microscope permettant une meilleure qualité optique dans le champ transverse pour la création de pièges. Dans ce manuscrit, nous évoquons les complications liées à la combinaison d'objectifs à haute ouverture numérique avec un système cryogénique. Une première itération de design a permis la génération d'un grand nombre de pièges (∼ 2000) dans un environnement partiellement cryogénique, mais sans pour autant conserver des durées de vie élevées des atomes dans les pinces. Ces derniers valaient au mieux ∼ 800 s puis se dégradaient au bout de quelques jours vers quelques dizaines de secondes. L'étude de ce système nous a permis de finalement mieux comprendre les mécanismes en jeux dans une cryopompe et de construire un nouveau cœur optique offrant à la fois une haute performance en termes de niveau de vide (∼ 5000 s de temps de vie) et en termes du nombre de pièges optiques pouvant être générés (> 2000). De premiers résultats ont permis de démontrer dans ce nouveau système l'assemblage avec une unique pince mobile de 1024 atomes uniques avec une fidélité élevée (dans ∼ 10 % des cas sans aucun défaut). L'utilisation d'une telle plateforme cryogénique de pair avec le développement de nouvelles techniques d'assemblage ouvre la voie à des avancées majeures en matière de passage à l'échelle pour une technologie quantique.
Passage à l'échelle de matrices d'atomes dans des pinces optiques - Piégeage d'atomes individuels en environnement cryogénique Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques forment une des meilleures plateformes expérimentales pour la simulation quantique de modèles de spins. Comme pour la plupart des plateformes de simulation quantique, l'augmentation du nombre d'objets quantiques contrôlés individuellement est un défi majeur. Dans cette thèse, je présente notre travail sur la levée des principales limitations à la réalisation de grandes matrices d'atomes sans défaut avec des fidélités élevées. Ces limitations des fidélités de préparation incluent la durée de vie limitée par le vide d'un seul atome dans la pince, et le temps nécessaire pour préparer de grandes matrices, atome par atome, avec une pince optique mobile. Nous avons d'abord amélioré l'assemblage de grands réseaux d'atomes sans défaut en développant des nouveaux algorithmes plus efficaces. En utilisant ces derniers, nous avons augmenté le nombre d'atomes d’une quarantaine à deux cents sur notre expérience à température ambiante. Nous avons ensuite construit une nouvelle plateforme cryogénique de pinces à atomes dans laquelle la durée de vie d'un seul atome est supérieure à 6000 secondes, soit une amélioration d'environ 300 fois par rapport à notre expérience à température ambiante. Nous décrivons la conception et la construction de la nouvelle configuration cryogénique et évaluons ses performances dans une série de tests. Enfin, nous démontrons le piégeage d'atomes uniques dans des réseaux de pinces optiques à des températures cryogéniques et analysons les différents mécanismes de perte présents pendant la mesure de la durée de vie. Ces résultats ouvrent la voie à des simulations quantiques à grande échelle sur notre plateforme.
La simulation quantique consiste à réaliser expérimentalement des systèmes artificiels équivalent à des modèles proposés par les théoriciens. Pour réaliser ces systèmes, il est possible d'utiliser des atomes dont les états individuels et les interactions sont contrôlés par la lumière. En particulier, une fois excités dans un état de haute énergie (appelé état de Rydberg), les atomes peuvent être contrôlés individuellement et leurs interactions façonnées arbitrairement par des faisceaux laser. Cette thèse s'intéresse à deux types de simulateurs quantiques à base d'atomes de Rydberg, et en particulier à leurs potentielles limitations.Dans l'expérience du Joint Quantum Institute (USA), nous observons la décohérence dans une structure cubique contenant jusqu'à 40000 atomes. A partir d'atomes préparés dans un état de Rydberg bien défini, nous constatons l'apparition spontanée d'états de Rydberg voisins et le déclenchement d'un phénomène d'avalanche. Nous montrons que ce mécanisme émane de l'émission stimulée produite par le rayonnement du corps noir. Ce phénomène s'accompagne d'une diffusion induite par des interactions de type dipole-dipole résonant. Nous complétons ces observations avec un modèle de champ moyen en état stationnaire. Dans un second temps, l'étude de la dynamique du problème nous permet de mesurer les échelles de temps caractéristiques. La décohérence étant globalement néfaste pour la simulation quantique, nous proposons plusieurs solutions pour en atténuer les effets. Nous évaluons notamment la possibilité de travailler dans un environnement cryogénique, lequel permettrait de réduire le rayonnement du corps noir.Dans l'expérience du Laboratoire Charles Fabry à l'Institut d'Optique (France), nous analysons les limites d'un simulateur quantique générant des structures bi- et tridimensionnelles allant jusqu'à 70 atomes de Rydberg piégés individuellement dans des pinces optiques. Le système actuel étant limité par le temps de vie des structures, nous montrons que l'utilisation d'un cryostat permettrait d'atteindre des tailles de structures jusqu'à 300 atomes. Nous présentons les premiers pas d'une nouvelle expérience utilisant un cryostat à 4K, et en particulier les études amont pour le développement de composants optomécaniques placés sous vide et à froid.
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.
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.
Chaines d'atomes uniques de dysprosium dans des pinces optiques pour étudier la diffusion collective de la lumière Cette thèse porte sur la construction d'une expérience de pinces optiques avec des atomes de dysprosium pour étudier les interactions induites par la lumière.Le but est d'étudier des situations dans laquelle le champ électrique rayonné par un atome lorsqu'il se désexcite peut influencer un autre atome proche.Le travail présenté ici montre que les techniques développées pour imager et manipulerdes atomes individuels dans des pinces optiques peuvent fournir de nouveaux outils expérimentaux pour étudier le problème de la diffusion collective de la lumière.Une première partie de la thèse consiste en la conception et la construction d'une expérience de pinces optiques utilisant pour la première fois des atomes de dysprosium. Une fois le système construit, nous avons caractérisé le comportement des atomes de dysprosium dans les pinces optiques.En particulier, nous avons mesuré l'influence de la polarisation de la lumière du piège sur la polarisabilité de l'atome.Grâce à ces mesures, nous avons montré l'existence d'une polarisation magique qui rend possible l'imagerie non-destructive d'atomes uniques de dysprosium avec haute fidélité.Une fois ce but atteint, nous avons réalisé de premières expériences de diffusion de la lumière sur des ensembles atomiques ordonnés réalisés avec des pinces optiques.Pour ce faire, nous avons développé une technique de détection de l'état interne d'un atome unique sur une transition optique en utilisant la structure riche de l'atome de dysprosium.Grâce à cette technique, nous avons étudié comment le champ électrique rayonné par un atome sur un autre influence la mesure de la fréquence de la transition.Nous avons observé le décalage collectif du spectre en régime stationnaire dans l'approximation de dipôles rayonnants classiques.Nous avons ensuite mesuré l'influence de ces interactions sur la spectroscopie de Ramsey.Cette situation ne peut être décrite dans une approximation classique et il est nécessaire de tenir compte de la discrétisation de l'état interne des atomes.Nous faisons également le lien entre les résultats obtenus dans ce régime et la limiteclassique.