Préparation, caractérisation et certification d'états quantiques dans des réseaux d'atomes neutres Les réseaux programmables d’atomes de Rydberg constituent une plateforme polyvalente pour générer, contrôler et mesurer des états quantiques à plusieurs corps en interaction. Cette thèse étudie les états accessibles à l’aide de contrôles globaux, leur préparation efficace, la robustesse de leurs propriétés utiles face aux imperfections et les moyens de les certifier à partir d’un nombre fini de mesures. Nous étudions d’abord des ensembles d’états générés par des séquences aléatoires d’impulsions globales et comparons leurs propriétés statistiques à celles d’états aléatoires distribués selon la mesure de Haar, dans le secteur de symétrie accessible à la dynamique. Lorsque les interactions sont faibles, les corrélations quantiques se développent lentement, tandis qu’un blocage de Rydberg fort restreint les configurations accessibles. Des interactions intermédiaires favorisent l’apparition rapide de signatures statistiques proches de celles des états de Haar, révélant un compromis entre l’exploration de l’espace des états et les restrictions imposées par le blocage. Cependant, les calculs de contrôle optimal montrent que les états cibles fortement intriqués sont généralement plus difficiles à préparer que les états faiblement intriqués : l’expressibilité ne garantit donc pas la trainabilité. Nous utilisons ensuite le contrôle quantique optimal fondé sur les gradients pour préparer des états à spin comprimé, utiles en métrologie quantique. Pour les petits systèmes, les protocoles optimisés s’approchent de la borne inférieure à taille finie du paramètre de Wineland et produisent des états davantage comprimés que ceux obtenus par une évolution libre après un quench quantique. Une impulsion optimisée pour N=10 conserve de bonnes performances lorsqu’elle est appliquée sans réoptimisation à des réseaux plus grands ; appliquée à N=50, elle atteint un paramètre de Wineland de 0.227. L’analyse de robustesse montre également que les états les plus comprimés en dynamique unitaire ne sont pas nécessairement les plus résistants au déphasage : ceux qui conservent un spin moyen plus important peuvent mieux préserver leur utilité métrologique. Enfin, nous formulons la certification du spin comprimé à partir d’un nombre fini de mesures comme un problème de test d’hypothèse. Nous établissons des bornes non asymptotiques rigoureuses sur la valeur p, afin de contrôler le risque que des fluctuations statistiques conduisent à une fausse certification. Dans leur ensemble, ces résultats montrent que l’ingénierie fiable des états quantiques exige non seulement de comprendre les états accessibles, mais aussi de les préparer efficacement et de façon robuste, puis de certifier leurs propriétés avec une rigueur statistique.
Préparation, caractérisation et certification d'états quantiques dans des réseaux d'atomes neutres Les réseaux programmables d’atomes de Rydberg constituent une plateforme polyvalente pour générer, contrôler et mesurer des états quantiques à plusieurs corps en interaction. Cette thèse étudie les états accessibles à l’aide de contrôles globaux, leur préparation efficace, la robustesse de leurs propriétés utiles face aux imperfections et les moyens de les certifier à partir d’un nombre fini de mesures. Nous étudions d’abord des ensembles d’états générés par des séquences aléatoires d’impulsions globales et comparons leurs propriétés statistiques à celles d’états aléatoires distribués selon la mesure de Haar, dans le secteur de symétrie accessible à la dynamique. Lorsque les interactions sont faibles, les corrélations quantiques se développent lentement, tandis qu’un blocage de Rydberg fort restreint les configurations accessibles. Des interactions intermédiaires favorisent l’apparition rapide de signatures statistiques proches de celles des états de Haar, révélant un compromis entre l’exploration de l’espace des états et les restrictions imposées par le blocage. Cependant, les calculs de contrôle optimal montrent que les états cibles fortement intriqués sont généralement plus difficiles à préparer que les états faiblement intriqués : l’expressibilité ne garantit donc pas la trainabilité. Nous utilisons ensuite le contrôle quantique optimal fondé sur les gradients pour préparer des états à spin comprimé, utiles en métrologie quantique. Pour les petits systèmes, les protocoles optimisés s’approchent de la borne inférieure à taille finie du paramètre de Wineland et produisent des états davantage comprimés que ceux obtenus par une évolution libre après un quench quantique. Une impulsion optimisée pour N=10 conserve de bonnes performances lorsqu’elle est appliquée sans réoptimisation à des réseaux plus grands ; appliquée à N=50, elle atteint un paramètre de Wineland de 0.227. L’analyse de robustesse montre également que les états les plus comprimés en dynamique unitaire ne sont pas nécessairement les plus résistants au déphasage : ceux qui conservent un spin moyen plus important peuvent mieux préserver leur utilité métrologique. Enfin, nous formulons la certification du spin comprimé à partir d’un nombre fini de mesures comme un problème de test d’hypothèse. Nous établissons des bornes non asymptotiques rigoureuses sur la valeur p, afin de contrôler le risque que des fluctuations statistiques conduisent à une fausse certification. Dans leur ensemble, ces résultats montrent que l’ingénierie fiable des états quantiques exige non seulement de comprendre les états accessibles, mais aussi de les préparer efficacement et de façon robuste, puis de certifier leurs propriétés avec une rigueur statistique.
Préparation et caractérisation d'états de spin corrélés avec un simulateur quantique à atomes de Rydberg Cette thèse porte sur le développement d'outils et de protocoles expérimentaux pour l'étude de systèmes de spin fortement corrélés, depuis leur préparation jusqu'à leur caractérisation.Le dispositif expérimental est basé sur le piégeage d'atomes de rubidium individuels dans des pinces optiques, selon des structures uni- ou bi-dimensionnelles ordonnées. Une fois excités dans des états de Rydberg, les atomes interagissent deux à deux, ce qui peut être décrit de manière effective par un modèle de spin --- donnant lieu à des simulations quantiques de ces modèles. L'objectif général est de mieux comprendre les mécanismes à l'œuvre dans les états fortement corrélés de la matière, qui sont notoirement difficiles à simuler numériquement lorsque le nombre de spins devient grand.La mise en œuvre des modèles de spin nécessite un contrôle précis des degrés de liberté tant internes qu'externes des atomes. Durant ma thèse, j'ai amélioré le montage préexistant, en appliquant une technique de refroidissement Raman pour réduire les fluctuations de position thermiques des atomes dans les pinces optiques. Nous avons également conçu une méthode de transitions locales entre états de Rydberg, permettant la préparation de textures de spin arbitraires et la lecture simultanée de plusieurs spins dans des bases différentes. Ces techniques nous ont permis de mettre en évidence des phénomènes quantiques collectifs dans des systèmes magnétiques avec interactions dipolaires de longue portée. Nous avons étudié plusieurs régimes, depuis les propriétés d'équilibre à basse énergie, jusqu'à la dynamique d'états de haute énergie.Tout d'abord, la préparation adiabatique des états fondamentaux du modèle de spin dit XY a permis d'observer la formation d'un ordre ferromagnétique ou antiferromagnétique entre spins, mesuré au moyen de leurs corrélations, sur un réseau carré et sur une chaîne unidimensionnelle. Quelle que soit la dimension du système étudié, le caractère dipolaire des interactions s'est traduit par une déstabilisation de la phase antiferromagnétique, et un renforcement de l'ordre ferromagnétique. En une dimension, nous avons observé des oscillations de Friedel à proximité d'un défaut localisé et mesuré des profils de corrélations en loi de puissance, signature d'une phase critique de la matière. Nous avons ensuite mis au point une nouvelle technique de mesure de la relation de dispersion des excitations de basse énergie. Cette méthode, appelée quench spectroscopy, consiste à mesurer la propagation des corrélations entre tous les spins à partir d'un état hors-équilibre de basse énergie, et à appliquer une double transformée de Fourier (spatiale et temporelle) pour obtenir l'énergie des excitations élémentaires en fonction de leur vecteur d'onde. Appliquant cette méthode aux cas précédents, nous avons vérifié la linéarité de la relation de dispersion à faible vecteur d'onde, caractéristique des ondes de spin du modèle XY ; à l'exception notable du cas ferromagnétique en deux dimensions, où l'énergie évolue comme la racine carrée du vecteur d'onde du fait des interactions dipolaires.Enfin, nous avons exploité les interactions de van der Waals non-diagonales pour mettre en œuvre un modèle de spin et de trous appelé modèle t-J-V, décrivant le mouvement de trous dans un réseau de spins. La réalisation de ce modèle avec des états de Rydberg permet d'accéder à des régimes de paramètres jusqu'à présent inaccessibles avec une résolution à l'échelle de la particule individuelle; en particulier, les interactions dipolaires équivalent à un effet tunnel de longue portée, autorisant le saut d'une particule entre deux sites distants. En étudiant la dynamique d'un aimant dopé par des trous localisés, nous avons trouvé des signatures de cet effet tunnel effectif de longue portée, et mis en évidence l'influence des états de spin sur le transport des trous.
Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique.
Préparation déterministe d'atomes de Rydberg uniques pour des expériences d'information quantique Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique.
Grâce à leur grande sensibilité intrinsèque, les plateformes d'atomes froids constituent des systèmes de choix pour la réalisation de mesures de haute précision. Le travail présenté dans cette thèse vise à répondre à la question suivante : quelle est la précision maximale pouvant être atteinte pour la mesure d'un paramètre physique donné en un laps de temps fini ? Pour aborder cette problématique, le formalisme de l'information de Fisher s'avère particulièrement adapté. Selon ce formalisme, la précision sur l'estimation d'un paramètre reposant sur les résultats d'une expérience est bornée par l'inverse de la racine carrée du nombre de mesures, multiplié par l'information de Fisher. Deux notions d'information de Fisher doivent être distinguées : l'information de Fisher classique, qui détermine la précision accessible pour un protocole de mesure donné, et l'information de Fisher quantique, qui borne l'information de Fisher classique quel que soit le protocole de mesure et définit la quantité maximale d'information accessible indépendamment du choix des mesures réalisées. L'objectif de ce travail a ainsi été de développer des méthodes de maximisation de l'information de Fisher, tant classique que quantique, afin d'améliorer la précision des mesures. Ces méthodes ont ensuite été mises en œuvre sur notre dispositif expérimental constitué d'un condensat de Bose-Einstein d'atomes de rubidium-87, placé dans un réseau optique périodique contrôlable en phase et en amplitude. L'état du condensat dans ce réseau peut être manipulé à l'aide d'outils de contrôle optimal, permettant de préparer des états quantiques arbitraires. L'état quantique du système est ensuite mesuré dans l'espace des impulsions par un processus de temps de vol, donnant un accès direct aux probabilités d'occupation des états d'impulsion quantifiés du système. Nous avons montré comment l'utilisation conjointe du formalisme de l'information de Fisher et du contrôle optimal permet d'optimiser la précision de la mesure d'un paramètre physique en temps fini à partir de ces distributions de probabilités accessibles. Le manuscrit s'organise en cinq chapitres. Un premier chapitre est consacré à la description du dispositif expérimental, incluant le principe du refroidissement des atomes et la modélisation numérique du système dans un réseau optique unidimensionnel. Le second chapitre présente le formalisme de l'information de Fisher de manière générale, en détaillant les notions d'information de Fisher classique et quantique ainsi que leur lien avec la précision des mesures, et en abordant la recherche de protocoles de mesure optimaux permettant d'atteindre l'information de Fisher quantique. Le troisième chapitre applique ce formalisme à la mesure précise de la profondeur du potentiel périodique du réseau optique. Le quatrième chapitre est dédié au contrôle optimal et à son utilisation pour piloter finement l'état quantique du système sous contraintes expérimentales réalistes. Enfin, le dernier chapitre montre comment ces outils de contrôle optimal peuvent être exploités pour mettre en œuvre des protocoles de mesure optimisés en temps fini d'une force appliquée au système, qu'il s'agisse d'une accélération du réseau ou d'une force d'origine magnétique. Nous montrons que les dynamiques optimisées par le contrôle optimal dans le but de maximiser l'information de Fisher présentent de fortes similarités avec des dynamiques issues de l'interférométrie. En particulier, l'évolution de l'information de Fisher obtenue à partir de ces optimisations est très proche de celle associée à des séquences interférométriques explicitement définies. Par ailleurs, nous montrons que la structure de la dynamique peut être modifiée en fonction des contraintes expérimentales imposées lors de l'optimisation. Ce chapitre se conclut par la mise en œuvre réussie de ces protocoles pour la mesure optimisée d'une force induite par une accélération ou par un gradient de champ magnétique.
Dynamiques quantiques sur réseaux Le domaine de l’informatique quantique a connu ces dernières années un fort développement. Un nouveau phénomène a récemment été découvert sur atomes de Rydberg, le scarring, qui s’est révélé être un nouveau mécanisme de brisure d’ergodicité: certains états initiaux n’explorent pas l’entièreté de l’espace de Hilbert mais restent localisés. Ce type de mécanisme a un potentiel intérêt pour encoder de l’information dans des systèmes quantiques.Dans cette thèse, on étudie des dynamiques discrètes en espace temps, qui sont des modèles quantiques simples à plusieurs corps. Des exemples de ces dynamiques discrètes sont les marches quantiques et les automates cellulaires quantiques. Elles sont écrites en termes de portes quantiques, ce qui les rend adaptées aux plateformes expérimentales.Dans la première partie de la thèse, on s’est intéressé à ces dynamiques discrètes dans le but de simuler un système physique. Plus précisément, nous proposons un automate cellulaire quantique et montrons sa convergence vers une théorie quantique des champs, le modèle de Schwinger en 1+1 dimensions.Dans la seconde partie de la thèse, nous investiguons ces dynamiques quantiques hors équilibre et étudions leurs propriétés de thermalisation sous le point de vue de l’information quantique.Nous proposons une généralisation de la marche quantique telle qu’elle interagit avec des spins situés sur les liens d’un réseau, et nous étudions les propriétés de propagation de l’aimantation et de l’intrication.Nous étudions ensuite un automate cellulaire quantique et découvrons que parmi les états chaotiques générés par la dynamique une hiérarchie peut émerger.
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.