En exploitant des propriétés particulières de la mécanique quantique afin de mesurer des grandeurs physiques, les capteurs quantiques promettent des performances uniques en termes de sensibilité, de bande passante et de stabilité. Il s’agit d’un domaine encore vaste, où une dizaine de technologies candidates sont explorées en concurrence pour au moins autant de cas d’application. L’essai sur le terrain sera un passage obligé, et la miniaturisation des capteurs, à l’aide de beaucoup d’effort technologique « classique », une nécessité.
En exploitant des propriétés particulières de la mécanique quantique afin de mesurer des grandeurs physiques, les capteurs quantiques promettent des performances uniques en termes de sensibilité, de bande passante et de stabilité. Il s’agit d’un domaine encore vaste, où une dizaine de technologies candidates sont explorées en concurrence pour au moins autant de cas d’application. L’essai sur le terrain sera un passage obligé, et la miniaturisation des capteurs, à l’aide de beaucoup d’effort technologique « classique », une nécessité.
Centenaire, la physique quantique a permis des inventions majeures tels le laser ou le transistor, élément de base de nos ordinateurs et smartphones et, par conséquent, de notre civilisation de l’information et de la télécommunication. Désormais, une seconde révolution est en cours, celle de l’information quantique dont l’unité n’est plus le bit mais le bit quantique - dit qubit. Le monde quantique est un univers particulier, celui des particules atomiques et subatomiques, où règnent les probabilités et les concepts de superposition, de non-clonage et d’intrigante intrication. Les progrès parallèles et continus de la recherche et de la technologie ont permis de valider et d’exploiter ces phénomènes, et de développer notre capacité à manipuler des objets quantiques individuels (atomes, électrons, photons) pour y stocker, traiter et lire des qubits. Ces progrès ont conduit à l’émergence d'une nouvelle génération d’appareils, dont certains, déjà commercialisés, pourraient révolutionner des domaines aussi variés que la métrologie, les télécommunications et l’informatique, tant ils surpasseraient les performances des technologies existantes. En métrologie, l’extrême sensibilité des objets quantiques aux influences externes les rend idéaux pour la réalisation de mesures de grandeurs physiques à haute précision, mais certains dispositifs devront être miniaturisés. Les télécommunications cryptées sont dès aujourd’hui sous la menace d’un futur ordinateur quantique dont la puissance de calcul exponentielle pourrait casser les cryptosystèmes actuellement utilisés, mais l’intrication et l’impossibilité de cloner les qubits apporteraient une solution quantique… à la menace quantique Enfin, en exploitant les superposition et intrication de qubits, les ordinateurs quantiques pourraient effectuer des calculs totalement inaccessibles aux supercalculateurs classiques, ce qui profiterait à de nombreuses industries (chimie, énergie, transport…). Cependant, les qubits actuels sont trop bruités et les erreurs de calculs trop nombreuses. Des protocoles de correction sont proposés mais ils nécessiteront l’intégration d’un grand nombre de qubits de meilleure qualité si bien que les ressources nécessaires pour les mettre en place vont bien au-delà des capacités de la technologie existante. En attendant, des solutions matérielles et algorithmiques, adaptables à la situation actuelle, sont explorées pour démontrer un réel avantage quantique sur un cas d’usage pratique.
Avant-propos Avant-proposLa mécanique quantique est une branche de la physique dont l'importance n'a cessé de s'accroître au cours des dernières décennies.Elle est bien sûr essentielle pour comprendre la structure et la dynamique des objets microscopiques comme les atomes, les molécules, ainsi que leurs interactions avec le rayonnement électromagnétique.Mais elle est aussi à la base du fonctionnement de nombreux dispositifs comme les sources laser (communications, médecine, usinage, etc.), les horloges atomiques (essentielles, en particulier, pour le GPS), les transistors (et donc les communications, l'informatique), l'imagerie par résonance magnétique, la production d'énergie (capteurs solaires, nucléaire), etc., donc des applications pratiques innombrables.Elle permet également d'expliquer des phénomènes surprenants comme la superfluidité ou la supraconductivité.Un grand intérêt est actuellement porté aux états quantiques intriqués, dont les propriétés de non-localité et non-séparabilité sont peu intuitives, et permettent d'envisager des applications remarquables dans le domaine de l'information quantique.Notre civilisation devient ainsi de plus en plus imprégnée par les applications technologiques qui découlent des concepts quantiques.Il est par suite clair qu'une attention particulière doit être portée à l'enseignement de la mécanique quantique.L'objet de ces trois tomes est de concourir à cet objectif.Un premier contact avec la mécanique quantique peut cependant être très déroutant.Le présent ouvrage, issu de plusieurs enseignements auprès des étudiants, a été conçu dans le but de faciliter une approche initiale, et d'aider ensuite le lecteur à progresser continûment vers un niveau avancé de mécanique quantique.Les deux premiers tomes, publiés il y a plus de 40 ans, ont été utilisés par des étudiants du monde entier.Ils restaient toutefois à un niveau intermédiaire ; l'ouvrage est maintenant complété par un troisième tome qui permet au lecteur d'aller plus loin.L'ensemble est systématiquement fondé sur une approche progressive des problèmes, où aucune difficulté n'est passée sous silence, et où chaque aspect des diverses questions est discuté en détail (en partant souvent d'un rappel classique).Cette volonté d'aller au fond des choses «sans tricher ni prendre de raccourci» se concrétise dans la structure même de l'ouvrage, construite à l'aide de deux textes distincts mais imbriqués : les chapitres et les compléments.Comme indiqué dans le "mode d'emploi" de la page précédente, les chapitres présentent les idées générales et les notions de base, tandis que les compléments illustrent les méthodes et concepts qui viennent d'être introduits, tout en proposant un large éventail d'applications et de prolongements intéressants.Le tome I présente une introduction générale du sujet, suivie d'un chapitre détaillé qui décrit les outils mathématiques de base de la mécanique quantique.Ce chapitre peut paraître un peu long et dense, mais l'expérience d'enseignement des auteurs a montré que cette présentation est à terme la plus efficace.Les postulats sont énoncés à partir du troisième chapitre, avec de nombreuses illustrations dans les compléments.Ensuite sont décrites quelques grandes applications de la mécanique quantique, par exemple l'oscillateur harmonique, qui donne lieu à de très nombreuses applications (vibration des molécules, phonons, etc.), dont bon nombre font l'objet d'un complément spécifique.Le tome II poursuit dans cette voie, en élargissant sa portée, et à un niveau un peu plus élevé.Il aborde la théorie des collisions, le spin, la composition des moments cinétiques et les calculs des perturbations indépendantes ou dépendantes du temps.
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.