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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.