Nouvelles approches pour la métrologie quantique des champs électromagnétiques avec des atomes froids de Rydberg Les atomes de Rydberg, états de haut nombre quantique principal n, constituent une ressource essentielle pour les technologies quantiques de par leur grand moment dipolaire. Ils sont utilisés principalement dans deux domaines : la simulation et l'information quantique, pour générer de l'intrication entre atomes froids, et la détection de champs électromagnétiques, notamment en radiofréquences, micro-ondes et térahertz. Cette thèse a pour objet le développement d'une nouvelle génération de capteurs de champs électromagnétiques combinant la grande sensibilité des atomes de Rydberg au très bon degré de contrôle des atomes froids. Les applications potentielles de ce projet sont nombreuses : détection et analyse spectrale de champs électromagnétiques, imagerie THz, communications HF (la taille du capteur étant indépendante de la longueur d'onde du signal à mesurer). Pour toutes ces applications, le référencement des mesures sur les propriétés des atomes devrait permettre de limiter les dérives de biais et les besoins de calibration, comme pour les autres types de capteurs atomiques (horloges, gravimètres...). Ce travail s'inscrit dans de nombreux projets et partenariats issus d'un effort national dans le quantique comme le projet RYCARD (LAC, LTE) ou le projet CARAMELS du PEPR quantique (LAC, LUMIN, IEMN, Thales). L'objectif de ce travail consiste donc à expérimenter puis à caractériser un nouveau type de capteur de champs électromagnétiques. Cela se décline par l'analyse des performances métrologiques du capteur (résolution, sensibilité, linéarité, exactitude, bande passante, dynamique de mesure), la description et l'optimisation des protocoles de mesures des valeurs de champs, leur(s) fréquence(s) ou leur polarisation. Nos premiers résultats sur la mesure de champ micro-onde ont fait l'objet d'une publication en 2024 sur la technique de spectroscopie « trap-loss ». J'ai travaillé par la suite à son optimisation : réduction du bruit spectral présent dans la lumière de refroidissement ce qui a engendré une réduction d'un facteur 50 du bruit sur la fluorescence ; stabilisation en puissance des faisceaux lasers de refroidissement : passage d'un étage de préparation des faisceaux en espace libre à un étage totalement fibré, conception de cartes électroniques PI pour contrôler les puissances des faisceaux. Nous avons pu ainsi caractériser finement les différentes sources de bruit impactant notre signal de fluorescence (influence du bruit de fréquence, du bruit de puissance ou du bruit électronique). Le système de détection a été réoptimisé ainsi que les paramètres expérimentaux du piège d'atomes de telle sorte à obtenir le plus grand rapport signal-à-bruit. Les mesures de stabilité long-terme nous ont permis d'obtenir un gain sur la sensibilité et la résolution grâce à différentes techniques : sauts en fréquence au niveau des flancs du pic afin d'en déterminer la position, mise en œuvre d'un protocole séquentiel où l'on vient faire des mesures dans les états de Rydberg lorsque la lumière de refroidissement est éteinte. Parallèlement, j'ai poursuivi mes travaux sur l'amélioration des performances de verrouillage en fréquence des lasers Rydberg, ainsi que sur la caractérisation de leurs largeurs spectrales (quelques dizaines de hertz) et accordabilité (plusieurs centaines de MHz). L'ensemble de ces performances établies nécessite une bonne reproductibilité et une moindre influence de l'environnement opto-mécanique. Notre collaboration avec le DEMR-ONERA a permis de mettre en évidence l'impact de ce dernier sur la mesure de champ pour des ondes MW dans la bande Ku (12-18 GHz). Nous avons pu démontrer la capacité de notre capteur à mesurer de multiples fréquences MW. Cette étude nous a permis également de mieux comprendre le rôle de la polarisation du champ MW sur la spectroscopie des états de Rydberg, d'en établir un modèle théorique en adéquation avec des premiers résultats expérimentaux.
Nouvelles approches pour la métrologie quantique des champs électromagnétiques avec des atomes froids de Rydberg Les atomes de Rydberg, états de haut nombre quantique principal n, constituent une ressource essentielle pour les technologies quantiques de par leur grand moment dipolaire. Ils sont utilisés principalement dans deux domaines : la simulation et l'information quantique, pour générer de l'intrication entre atomes froids, et la détection de champs électromagnétiques, notamment en radiofréquences, micro-ondes et térahertz. Cette thèse a pour objet le développement d'une nouvelle génération de capteurs de champs électromagnétiques combinant la grande sensibilité des atomes de Rydberg au très bon degré de contrôle des atomes froids. Les applications potentielles de ce projet sont nombreuses : détection et analyse spectrale de champs électromagnétiques, imagerie THz, communications HF (la taille du capteur étant indépendante de la longueur d'onde du signal à mesurer). Pour toutes ces applications, le référencement des mesures sur les propriétés des atomes devrait permettre de limiter les dérives de biais et les besoins de calibration, comme pour les autres types de capteurs atomiques (horloges, gravimètres...). Ce travail s'inscrit dans de nombreux projets et partenariats issus d'un effort national dans le quantique comme le projet RYCARD (LAC, LTE) ou le projet CARAMELS du PEPR quantique (LAC, LUMIN, IEMN, Thales). L'objectif de ce travail consiste donc à expérimenter puis à caractériser un nouveau type de capteur de champs électromagnétiques. Cela se décline par l'analyse des performances métrologiques du capteur (résolution, sensibilité, linéarité, exactitude, bande passante, dynamique de mesure), la description et l'optimisation des protocoles de mesures des valeurs de champs, leur(s) fréquence(s) ou leur polarisation. Nos premiers résultats sur la mesure de champ micro-onde ont fait l'objet d'une publication en 2024 sur la technique de spectroscopie « trap-loss ». J'ai travaillé par la suite à son optimisation : réduction du bruit spectral présent dans la lumière de refroidissement ce qui a engendré une réduction d'un facteur 50 du bruit sur la fluorescence ; stabilisation en puissance des faisceaux lasers de refroidissement : passage d'un étage de préparation des faisceaux en espace libre à un étage totalement fibré, conception de cartes électroniques PI pour contrôler les puissances des faisceaux. Nous avons pu ainsi caractériser finement les différentes sources de bruit impactant notre signal de fluorescence (influence du bruit de fréquence, du bruit de puissance ou du bruit électronique). Le système de détection a été réoptimisé ainsi que les paramètres expérimentaux du piège d'atomes de telle sorte à obtenir le plus grand rapport signal-à-bruit. Les mesures de stabilité long-terme nous ont permis d'obtenir un gain sur la sensibilité et la résolution grâce à différentes techniques : sauts en fréquence au niveau des flancs du pic afin d'en déterminer la position, mise en œuvre d'un protocole séquentiel où l'on vient faire des mesures dans les états de Rydberg lorsque la lumière de refroidissement est éteinte. Parallèlement, j'ai poursuivi mes travaux sur l'amélioration des performances de verrouillage en fréquence des lasers Rydberg, ainsi que sur la caractérisation de leurs largeurs spectrales (quelques dizaines de hertz) et accordabilité (plusieurs centaines de MHz). L'ensemble de ces performances établies nécessite une bonne reproductibilité et une moindre influence de l'environnement opto-mécanique. Notre collaboration avec le DEMR-ONERA a permis de mettre en évidence l'impact de ce dernier sur la mesure de champ pour des ondes MW dans la bande Ku (12-18 GHz). Nous avons pu démontrer la capacité de notre capteur à mesurer de multiples fréquences MW. Cette étude nous a permis également de mieux comprendre le rôle de la polarisation du champ MW sur la spectroscopie des états de Rydberg, d'en établir un modèle théorique en adéquation avec des premiers résultats expérimentaux.
Les atomes de Rydberg, états de haut nombre quantique principal n, constituent une ressource essentielle pour les technologies quantiques de par leur grand moment dipolaire. Ils sont utilisés principalement dans deux domaines : la simulation et l'information quantique, pour générer de l'intrication entre atomes froids, et la détection de champs électromagnétiques, notamment en radiofréquences, micro-ondes et térahertz. Cette thèse a pour objet le développement d'une nouvelle génération de capteurs de champs électromagnétiques combinant la grande sensibilité des atomes de Rydberg au très bon degré de contrôle des atomes froids. Les applications potentielles de ce projet sont nombreuses : détection et analyse spectrale de champs électromagnétiques, imagerie THz, communications HF (la taille du capteur étant indépendante de la longueur d'onde du signal à mesurer). Pour toutes ces applications, le référencement des mesures sur les propriétés des atomes devrait permettre de limiter les dérives de biais et les besoins de calibration, comme pour les autres types de capteurs atomiques (horloges, gravimètres...). Ce travail s'inscrit dans de nombreux projets et partenariats issus d'un effort national dans le quantique comme le projet RYCARD (LAC, LTE) ou le projet CARAMELS du PEPR quantique (LAC, LUMIN, IEMN, Thales). L'objectif de ce travail consiste donc à expérimenter puis à caractériser un nouveau type de capteur de champs électromagnétiques. Cela se décline par l'analyse des performances métrologiques du capteur (résolution, sensibilité, linéarité, exactitude, bande passante, dynamique de mesure), la description et l'optimisation des protocoles de mesures des valeurs de champs, leur(s) fréquence(s) ou leur polarisation. Nos premiers résultats sur la mesure de champ micro-onde ont fait l'objet d'une publication en 2024 sur la technique de spectroscopie « trap-loss ». J'ai travaillé par la suite à son optimisation : réduction du bruit spectral présent dans la lumière de refroidissement ce qui a engendré une réduction d'un facteur 50 du bruit sur la fluorescence ; stabilisation en puissance des faisceaux lasers de refroidissement : passage d'un étage de préparation des faisceaux en espace libre à un étage totalement fibré, conception de cartes électroniques PI pour contrôler les puissances des faisceaux. Nous avons pu ainsi caractériser finement les différentes sources de bruit impactant notre signal de fluorescence (influence du bruit de fréquence, du bruit de puissance ou du bruit électronique). Le système de détection a été réoptimisé ainsi que les paramètres expérimentaux du piège d'atomes de telle sorte à obtenir le plus grand rapport signal-à-bruit. Les mesures de stabilité long-terme nous ont permis d'obtenir un gain sur la sensibilité et la résolution grâce à différentes techniques : sauts en fréquence au niveau des flancs du pic afin d'en déterminer la position, mise en œuvre d'un protocole séquentiel où l'on vient faire des mesures dans les états de Rydberg lorsque la lumière de refroidissement est éteinte. Parallèlement, j'ai poursuivi mes travaux sur l'amélioration des performances de verrouillage en fréquence des lasers Rydberg, ainsi que sur la caractérisation de leurs largeurs spectrales (quelques dizaines de hertz) et accordabilité (plusieurs centaines de MHz). L'ensemble de ces performances établies nécessite une bonne reproductibilité et une moindre influence de l'environnement opto-mécanique. Notre collaboration avec le DEMR-ONERA a permis de mettre en évidence l'impact de ce dernier sur la mesure de champ pour des ondes MW dans la bande Ku (12-18 GHz). Nous avons pu démontrer la capacité de notre capteur à mesurer de multiples fréquences MW. Cette étude nous a permis également de mieux comprendre le rôle de la polarisation du champ MW sur la spectroscopie des états de Rydberg, d'en établir un modèle théorique en adéquation avec des premiers résultats expérimentaux.
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.
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.
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.
La manipulation d’états non-classiques suscite depuis quelques années un engouement important de la part de la communauté scientifique. Que ce soit sur un plan fondamental ou en vue de potentielles applications par exemple dans les domaines de la métrologie, de la communication, ou de l’information quantique, il est essentiel de préparer des systèmes quantiques dans des états non-classiques et de contrôler leur évolution. Le champ de l’électrodynamique quantique en cavité apparaît comme un cadre expérimental idéal pour étudier l’ingénierie de tels états de la lumière. Il repose sur le couplage fort entre un système à deux niveaux d’une part et un mode du champ électromagnétique d’autre part. Cette thèse présente une nouvelle expérience d’électrodynamique quantique en cavité combinant un jet d’atomes lents préparés dans des états de Rydberg dits « circulaires » et le mode électromagnétique d’une cavité supraconductrice. Ce nouveau dispositif permet une augmentation considérable du temps d’interaction entre l’atome et le champ. Nous présentons dans ce manuscrit les premiers résultats expérimentaux qui en découlent. Premièrement, en exploitant le régime d’interaction résonant entre l’atome et le champ nous avons pu générer un état superposé de type chat de Schrödinger que nous avons caractérisé par ses oscillations de Rabi. Deuxièmement, en se plaçant dans le régime d’interaction dispersif, le long temps d’interaction permet de résoudre le spectre des états habillés du système pour des états du champ contenant jusqu’à 8 photons. Cette résolution a alors pu être exploitée afin de générer des états quantiques du champ comme une superposition de 0 et de 2 photons.
Les révolutions quantiques du XXe siècle ont vu l'émergence de nouveaux capteurs de haute précision, appelés senseurs inertiels à onde de matière. L'utilisation de ces senseurs pour étudier le champ gravitationnel terrestre pourrait contribuer à résoudre l'un des grands mystères de la physique fondamentale : le principe d'équivalence faible, qui postule que la masse des corps n'affecte pas leur chute. Cependant, ce postulat fondamental de la relativité générale est remis en question par certaines théories cherchant à unifier la mécanique quantique et la gravité.La réalisation d'un test expérimental pour examiner cette question est essentielle, mais elle nécessite un long temps de chute libre, qui n'est réalisable que depuis l'espace. La conception d'un démonstrateur spatial nécessite une avancée technologique significative. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet ICE, qui consiste en un prototype de laboratoire pour de futures missions spatiales. Cette expérience est testée à bord de l'avion Zéro-G ainsi que sur un simulateur de microgravité au sein du laboratoire.L'objectif principal est de mesurer l'accélération subie par deux espèces atomiques différentes, le rubidium 87 et le potassium 39, en utilisant une méthode interférométrique. Ces atomes sont utilisés comme masses d'épreuve. Pour réaliser la mesure avec une grande précision, il est nécessaire d'abaisser la température des nuages atomiques avec des techniques de refroidissement laser.Le présent manuscrit présente les premiers résultats obtenus concernant la production de nuages d'atomes ultra-froids à bord de l'avion Zéro-G, grâce à des techniques de refroidissement évaporatif tout-optique. De plus, notre simulateur de microgravité, doté d'un accès illimité et d'un taux de répétition élevé, nous a permis d'obtenir des résultats en interférométrie atomique avec de longs temps d'interrogation. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d'un test de haute sensibilité du principe d'équivalence sur cette plateforme.