Tomographie d'État Quantique de Champs Thermiques Astrophysiques Un cadre de réception en un point unique — le Fond Diffus Cosmologique comme première étude de cas
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.
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.
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.
L'électrodynamique quantique en guide d'onde étudie le comportement de circuits électriques supraconducteurs composés entre autres de jonctions Josephson et de lignes à transmission. Ces circuits présentent peu de pertes puisqu'ils sont supraconducteurs. De plus, grâce à la non-linéarité des jonctions Josephson, ils peuvent présenter des comportements typiquement quantiques. Dans cette thèse, nous élaborons un cadre théorique qui permet de traiter la connexion entre les lignes à transmission et les éléments de circuits localisés (lumped element). Nous présentons ensuite la théorie d'entrée-sortie dans le contexte de ce cadre théorique. Comme son nom l'indique, celle-ci lie les observables à la sortie du circuit à celles à son entrée et elle permet de faire des prédictions expérimentales. Nous obtenons aussi une équation maîtresse qui décrit le circuit lorsque l'information contenue dans les lignes à transmission est perdue ou ignorée. Nous utilisons le cadre théorique développé pour étudier la situation où deux circuits qui se comportent chacun comme un atome sont connectés à une ligne à transmission. Nous montrons que la physique dans ce type de système dépend de la distance entre les deux atomes artificiels. Lorsque la distance est telle que la phase [phi] acquise par le champ électromagnétique entre les deux atomes artificiels est un multiple entier de [pi], on observe qu'une superposition d'états particulière des atomes est couplée à la ligne à transmission. On dit que cet état est brillant tandis que l'autre état est dit sombre. Lorsque la phase [phi] acquise par le champ électromagnétique est un multiple impair de [pi]/2, on observe plutôt une interaction cohérente entre les deux atomes artificiels. Nous suggérerons des protocoles pour observer des signatures expérimentales de cette physique. Nous présentons des résultats expérimentaux obtenus suite à ces prédictions par nos collègues du groupe d'Andreas Wallraff à Zurich. Ces résultats confirment la théorie. Parmi ces données, on retrouve la première mesure d'une signature claire de l'interaction cohérente entre deux atomes. Nous utilisons aussi le cadre théorique développé pour étudier des circuits dans lesquels les inductances dépendent du temps. Nous nous intéressons à ces circuits puisqu'ils sont généralement non réciproque, ce qui en fait des candidats idéaux pour implémenter des circulateurs. Ces dispositifs qui permettent d'obtenir un couplage unidirectionnel entre deux circuits sont généralement réalisés à l'aide d'aimants. Ainsi, un défi important du domaine est de concevoir un circulateur qui peut s'intégrer à un circuit supraconducteur. On utilise notre cadre théorique pour décrire les circuits avec des inductances variables à l'aide d'un opérateur de transfert qui relient les entrées du circuit à ses sorties. Cet objet permet d'extraire les conditions sous lesquelles ce type de circuit se comporte comme un circulateur. On utilise aussi l'opérateur de transfert pour étudier un modèle de circuit qui sera testé sous peu par nos collaborateurs de JILA dans le but d'implémenter un des premiers circulateurs sans conversion de fréquence nette, sans pertes et sans ferrite. On montre que ce modèle de circuit se comporte bien comme un circulateur, avec une largeur de bande de l'ordre de 200 MHz et un niveau d'imperfections de -20 dB.
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.
Les atomes de Rydberg sont des atomes portés dans un état de grand nombre quantique principal, et dont l'électron de valence orbite très loin du noyau. Cet éloignement confère aux atomes de Rydberg des propriétés hors-normes par rapport aux atomes ordinaires, grâce auxquelles ils sont devenus le cœur de nombreux développements et applications de la physique quantique expérimentale moderne. En particulier, ils possèdent des transitions dans les domaines radiofréquence (RF) et terahertz (THz) avec de très grands éléments de matrice, qui les rendent extrêmement sensibles aux champs électromagnétiques dans ces domaines de fréquences. Cela a conduit il y a une dizaine d'années à l'émergence une nouvelle technologie de capteurs de champs RF et THz, dans lesquels l'amplitude du champ est mesurée en faisant la spectroscopie, avec un signal de transparence électromagnétiquement induite, du doublet Autler-Townes induit par l'interaction entre le champ et les états de Rydberg des atomes d'une vapeur chaude. De tels capteurs offrent plusieurs avantages intéressants par rapport aux antennes classiques, parmi lesquels une meilleure sensibilité, une plus large gamme de fréquences accessibles, une taille indépendante de la fréquence du champ mesuré, un besoin en calibration fortement réduit, et la possibilité de mesurer en plus de l'amplitude la phase et la polarisation. Tous ces avantages font des capteurs à base d'atomes de Rydberg de très bons candidats pour des applications de type télécommunications, radar, spatial, etc. Actuellement, ces capteurs font l'objet d'une multitude de travaux et d'évolutions visant à améliorer leurs performances en termes de sensibilité, d'exactitude, de bande passante de mesure, ou de résolution spatiale. L'usage d'atomes froids au lieu de vapeurs chaudes constitue pour cela une piste prometteuse, d'une part en raison de leur meilleure cohérence et de leur effet Doppler fortement réduit, et d'autre part car ils se prêtent à d'autres formes de spectroscopie potentiellement plus robustes sur certains aspects. La présente thèse porte sur l'étude expérimentale d'une nouvelle approche pour la métrologie de champs RF avec des atomes de Rydberg froids, basée sur la spectroscopie de déplétion de piège. Elle consiste à faire interagir avec le champ RF un ensemble d'atomes de ⁸⁷Rb refroidis et confinés dans un piège magnéto-optique, et à sonder le doublet Autler-Townes induit par le champ à l'aide d'un effet de déplétion du piège. Le mécanisme responsable des pertes est l'ionisation des atomes sous l'action du rayonnement de corps noir ambiant. Cette étude s'est appuyée sur la réalisation complète d'un dispositif expérimental permettant de mettre en œuvre la spectroscopie de déplétion. Malgré une faible bande passante de mesure, la méthode proposée ici a démontré une linéarité inférieure à 2%, une sensibilité de l'ordre de 250 µV/cm/Hz1/2, ainsi qu'une absence de dérives sur plusieurs heures d'intégration avec une résolution de l'ordre de 5 µV/cm. Elle offre également une plus grande simplicité de mise en œuvre que d'autres approches utilisant des atomes froids, et permet en principe de déterminer à la fois la fréquence et l'amplitude du champ. Dans ce manuscrit, nous décrirons le principe, le montage et la mise en œuvre de notre dispositif expérimental, nous présenterons les résultats des mesures effectuées grâce à lui, puis nous en analyserons les performances métrologiques, les avantages et les limites.
Un état quantique de lumière est caractérisé par la statistique de son nombre de photons. Lorsque qu'un champ électromagnétique se propage dans un milieu, ses statistiques peuvent être modifiées, notamment en présence de phénomènes cohérents. Cette thèse s'intéresse expérimentalement et théoriquement à la propagation d'états quantiques de lumière dans une vapeur d'hélium métastable à température ambiante. Dans un premier temps, on étudie la propagation de lumière en présence d'oscillations cohérentes de populations ultrafines et montre qu'elles permettent de stocker efficacement une quadrature spécifique d'un champ lumineux. Néanmoins, ce protocole ne permet pas de stocker les deux quadratures d'un mode du champ électromagnétique, et les conditions de propagation dans le milieu dégradent leurs propriétés statistiques, empêchant son utilisation pour des applications quantiques. Ce travail montre ensuite qu'il est possible de générer des états comprimés à deux modes dans ce même système, par mélange à 4 ondes. Les états fortement comprimés (9 dB) peuvent être générés en exploitant les fortes non-linéarités induites par piégeage cohérent de population via une transition optique, ainsi que par la proximité d'une autre transition optique voisine. Enfin, une dernière partie s'intéresse au transfert de bruit par effet Faraday entre les fluctuations de spin atomique du milieu et les fluctuations de polarisation d'un champ lumineux. L'étude de ces fluctuations par spectroscopie de bruit de spin a mis en évidence des comportements originaux qui pourraient par la suite être utilisés dans d'autres milieux.
Cette thèse porte sur la manipulation d'états non-classiques de la lumière, et leurs applications à l'information quantique. Nous montrons que les outils propres à une description discrète, où la lumière est considérée comme un ensemble de photons, peuvent être efficacement combinés avec une approche continue, où l'on s'intéresse aux quadratures de l'onde électromagnétique, pour créer, transformer et analyser des états quantiques complexes. Nous avons ainsi préparé des impulsions lumineuses ultrabrèves dans des états “chat de Schrödinger” (superpositions quantiques d'états cohérents). Le champ électromagnétique de l'onde lumineuse n'est alors plus décrit par une distribution statistique classique, mais par une fonction de Wigner prenant des valeurs négatives. Grâce à une reconstruction par tomographie homodyne, nous avons réalisé la première observation expérimentale de cette négativité pour de petits “chatons de Schrödinger” en propagation libre. Nous avons ensuite développé et démontré expérimentalement un protocole permettant de préparer des “chats de Schrödinger” optiques de taille arbitraire et d'ouvrir la voie vers de multiples applications en information quantique. Nous avons également montré que la soustraction conditionnelle de photons permettait d'augmenter l'intrication d'états gaussiens. Avec cette approche, nous avons intriqué deux impulsions séparées et indépendantes, en utilisant un canal quantique de fortes pertes. On peut ainsi préparer, entre deux sites éloignés, des états fortement intriqués à fonction de Wigner négative, élément essentiel pour la distillation d'intrication et les communications quantiques à grande distance.