L optomecanique en cavité, l étude de l interaction entre le mode d une cavité optique et un mode mécanique d un résonateur, a eu une évolution impressionnante depuis dix ans et elle est devenue un nouveau champ de recherche, réunissant la physique de la matière condensée et l optique. Un des objectifs majeurs de cette discipline est de tester et étudier la mécanique quantique en utilisant des systèmes macroscopiques. Parmi les problèmes les plus fondamentaux que la communauté aborde est la question des limites quantiques de la mesure de position. La mécanique quantique prédit que toute mesure s accompagne d une action en retour, ce qui perturbe l état du système muser e. En outre, il devrait être conjugué avec le bruit quantique de l appareil de mesure (le bruit de mesure) utilisé pour sonder le système. La sensibilité e optimale est atteinte lorsque la mesure et le bruit abréaction sont identiques, une situation qui peut être assimilé à l acceptation de l inégalité de Heisenberg pour l appareil de mesure. En optomécanique, le mode d une cavité optique est utilisé comme un appareil de mesure de la position d un résonateur mécanique qui est piloté par la pression de radiation et qui devrait être responsable pour l action en retour de la mesure. Cependant, cette action en retour n a jamais été observe à ce jour, alors qu il reste une étape décisive vers la compréhension des processus du mesure quantique. Nous décrivons dans ce manuscrit l étude des effets de la pression de radiation. Nous introduisons le système optomécanique que nous avons développé qui consiste a un résonateur mécanique plan-convexe de taille de quelques cm présentant un très haut facteur de qualité (~106) intégré dans une cavité Fabry-Pérot de très grande finesse ( 300 000). Nous pressentons deux résultats importants que nous avons obtenus avec ce système. Tout d abord, nous avons rapporté la première observation directe de la pression de radiation en temps réel, basée sur l établissement pompe-sonde corrélations. Nous avons également démontré pour la première fois des effets non linéaires dû à l action en retour lies l amélioration substantielle de la sensibilité de la mesure de position. Nous expliquons pourquoi la démonstration de l action en retour quantique nécessite une ultra- haute stabilité du mode optique. Nous presentons les modifications importantes apportées la configuration expérimentale précédente, notamment sur la source laser, la détection et la stabilisation de l' expérience. Nous décrivons ensuite une nouvelle technique de détection optomécanique fournissant une mesure indépendante du désaccord de la cavité. Enfin, nous pressentons une expérience de validation de principe permettant d extraire des corrélations quantiques optomécaniques à la température ambiante.
L optomecanique en cavité, l étude de l interaction entre le mode d une cavité optique et un mode mécanique d un résonateur, a eu une évolution impressionnante depuis dix ans et elle est devenue un nouveau champ de recherche, réunissant la physique de la matière condensée et l optique. Un des objectifs majeurs de cette discipline est de tester et étudier la mécanique quantique en utilisant des systèmes macroscopiques. Parmi les problèmes les plus fondamentaux que la communauté aborde est la question des limites quantiques de la mesure de position. La mécanique quantique prédit que toute mesure s accompagne d une action en retour, ce qui perturbe l état du système muser e. En outre, il devrait être conjugué avec le bruit quantique de l appareil de mesure (le bruit de mesure) utilisé pour sonder le système. La sensibilité e optimale est atteinte lorsque la mesure et le bruit abréaction sont identiques, une situation qui peut être assimilé à l acceptation de l inégalité de Heisenberg pour l appareil de mesure. En optomécanique, le mode d une cavité optique est utilisé comme un appareil de mesure de la position d un résonateur mécanique qui est piloté par la pression de radiation et qui devrait être responsable pour l action en retour de la mesure. Cependant, cette action en retour n a jamais été observe à ce jour, alors qu il reste une étape décisive vers la compréhension des processus du mesure quantique. Nous décrivons dans ce manuscrit l étude des effets de la pression de radiation. Nous introduisons le système optomécanique que nous avons développé qui consiste a un résonateur mécanique plan-convexe de taille de quelques cm présentant un très haut facteur de qualité (~106) intégré dans une cavité Fabry-Pérot de très grande finesse ( 300 000). Nous pressentons deux résultats importants que nous avons obtenus avec ce système. Tout d abord, nous avons rapporté la première observation directe de la pression de radiation en temps réel, basée sur l établissement pompe-sonde corrélations. Nous avons également démontré pour la première fois des effets non linéaires dû à l action en retour lies l amélioration substantielle de la sensibilité de la mesure de position. Nous expliquons pourquoi la démonstration de l action en retour quantique nécessite une ultra- haute stabilité du mode optique. Nous presentons les modifications importantes apportées la configuration expérimentale précédente, notamment sur la source laser, la détection et la stabilisation de l' expérience. Nous décrivons ensuite une nouvelle technique de détection optomécanique fournissant une mesure indépendante du désaccord de la cavité. Enfin, nous pressentons une expérience de validation de principe permettant d extraire des corrélations quantiques optomécaniques à la température ambiante.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».
En mécanique quantique, toute mesure est responsable d'une action en retour sur le système mesuré, qui limite en général la sensibilité de la mesure. Il en est ainsi dans les mesures interférométriques, où les miroirs de l'interféromètre sont susceptibles de se déplacer sous l'effet de la pression de radiation exercée par la lumière. Ceci provoque un bruit supplémentaire dans la mesure de longueur des bras de l'interféromètre et conduit à l'existence d'une limite quantique pour la sensibilité de la mesure. Ces effets produisent également des corrélations entre l'intensité de la lumière et le mouvement du miroir, qui pourraient être mises à profit en optique quantique. Nous avons développé une expérience destinée à l'étude des bruits dans les mesures interférométriques ultrasensibles, qu'ils soient d'origine classique comme le bruit thermique des miroirs, ou bien d'origine plus fondamentale, comme le bruit quantique de la pression de radiation, qui n a encore jamais été mis en évidence à ce jour. L'expérience est basée sur une cavité Fabry-Pérot de grande finesse, dans laquelle les déplacements du miroir sont mesurés à un niveau meilleur que l'attomètre en détectant les variations de phase du faisceau réfléchi par la cavité. Nous présentons l'ensemble des améliorations que nous avons apportées à notre système, destinées avant tout à favoriser le bruit quantique de pression de radiation par rapport au bruit thermique, ainsi que les importants ajustements de notre dispositif qui ont eux-mêmes découlé de ces améliorations. Pour pouvoir atteindre cet objectif, nous avons suivi trois stratégies en parallèle: nous avons tenté de diminuer la force thermique de Langevin en installant un cryostat fonctionnant à 4 K, nous avons amélioré les propriétés mécaniques de notre résonateur de manière à ce qu'il réponde plus favorablement à la pression de radiation, et nous avons enfin augmenté l'amplitude des effets de pression de radiation, en améliorant la finesse de la cavité. Ces améliorations nous ont permis d obtenir un fonctionnement cryogénique mécaniquement stable à une température se situant vraisemblablement autour de la dizaine de Kelvin, mais elles ont surtout permis l obtention de facteurs de qualité mécaniques de l ordre de 800000, et des masses de l ordre de quelques dizaines de milligrammes, de concert avec une finesse record de 330000, ce qui correspond à une amélioration du rapport entre les effets de pression de radiation et les effets thermiques de plus de deux ordres de grandeur comparativement à nos précédentes cavités à miroir mobile.Nous avons présenté une étude détaillée des effets optomécaniques de la pression de radiation, d'abord théorique, puis expérimentale. La particularité de notre approche est la prise en compte de la nature multimode de notre résonateur, dont nous avons présenté les conséquences sur la mise en évidence de l'action en retour, ainsi que sur la sensibilité de la mesure. Nous avons ensuite présenté l'étude expérimentale de la réponse spectrale du mode fondamental Gaussien de notre résonateur plan-convexe à une force de pression de radiation, qui nous a permis de valider notre approche théorique, ainsi que de préciser les conditions les plus favorables à la mise en évidence des corrélations optomécaniques quantiques. Nous avons également démontré expérimentalement qu'il était possible de profiter de la nature multimode de nos miroirs pour améliorer la sensibilité de la mesure. Enfin, nous avons présenté une étude des corrélations optomécaniques au niveau classique entre l intensité d un faisceau signal et la phase d un faisceau de mesure, que nous avons réalisée à l'aide de bruits d'intensité arbitraires, construits pour être aussi semblables que possible au bruit quantique, bien qu'ayant une puissance spectrale beaucoup plus grande.Nous avons étudié en détails les conditions expérimentales limitant l'observation des corrélations quantiques lorsque l'on se trouve en régime thermique. Nous avons tout d'abord présenté une technique de moyennage permettant de mettre en évidence les déplacements induits par un bruit de pression de radiation arbitraire et périodique, dont la densité spectrale faible devant celle du bruit thermique. Nous avons ensuite expliqué comment il est possible d'étendre cette technique de moyennage au cas du bruit quantique de pression de radiation, en nous intéressant tout particulièrement à la durée de moyennage nécessaire pour pouvoir extraire les corrélations avec une précision suffisante, et nous avons illustré expérimentalement les concepts proposés, toujours à l'aide d'un bruit de pression de radiation classique. Nous avons ensuite vu que la durée du moyennage n'était pas la seule limitation expérimentale à l'observation des corrélations quantiques, mais que l'existence de pertes optiques dans la cavité peuvent être à l'origine d'une contamination de la quadrature d'intensité du champ réfléchi par les fluctuations de position du miroir, qui induisent des conditions très fortes sur la qualité de l'asservissement de la fréquence du laser sur la résonance optique. Nous avons explicité ces conditions dans le cas de corrélations mesurées à résonance mécanique et hors résonance mécanique, et nous avons terminé par la mise en évidence expérimentale de ce phénomène de contamination.Nous avons consacré la dernière partie de ce manuscrit à une étude du couplage optomécanique dans une cavité désaccordée. Nous avons tout d'abord présenté une description théorique des effets de pression de radiation dans une cavité désaccordée, également appelés "action en retour dynamique", dont nous avons vu qu'ils se décomposaient en deux contributions, l'une dissipative, et l'autre conservative. Nous avons illustré expérimentalement des applications de chacune de ces contributions: nous avons d'abord présenté une démonstration de refroidissement passif de notre résonateur plan-convexe, puis nous avons montré qu'il était possible d'utiliser la contribution conservative de l'action en retour dynamique afin d amplifier une variation de longueur apparente de la cavité, c'est-à-dire une variation de longueur indépendante de la réponse mécanique du miroir mobile, comme en génère par exemple une onde gravitationnelle. Nous démontrons également que cet effet d amplification peut être associé dans certaines conditions à une amélioration de la sensibilité de la mesure. Nous avons ainsi démontré expérimentalement une amplification d un facteur 6 sur un signal consistant en une modulation de fréquence du laser. Nous avons également démontré que cette amplification est associée à une amélioration de la sensibilité de 5 dB par rapport à la limite quantique standard.
Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.
Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser.
De nombreux phénomènes de physique quantique ne peuvent être compris que par l'analyse des systèmes ouverts. Un appareil de mesure, par exemple, est un système macroscopique en contact avec un système quantique. Ainsi, tout modèle d'expérience doit prendre en compte les dynamiques propres aux systèmes ouverts. Ces dynamiques peuvent être complexes : l'interaction du système avec son environnement peut modifier ses propriétés, l'interaction peu créer des effets de mémoire dans l'évolution du système, . . . Ces dynamiques sont particulièrement importantes dans l'étude des expériences d'optique quantique. Nous sommes aujourd'hui capables de manipuler individuellement des particules. Pour cela la compréhension et le contrôle de l'influence de l'environnement est crucial. Dans cette thèse nous étudions d'un point de vue théorique quelques procédures communément utilisées en optique quantique. Avant la présentation de nos résultats, nous introduisons et motivons l'utilisation de la description markovienne des systèmes quantiques ouverts. Nous présentons a la fois les équations maîtresses et le calcul stochastique quantique. Nous introduisons ensuite la notion de trajectoire quantique pour la description des mesures indirectes continues. C'est dans ce contexte que l'on présente les résultats obtenus au cours de cette thèse. Dans un premier temps, nous étudions la convergence des mesures non destructives. Nous montrons qu'elles reproduisent la réduction du paquet d'onde du système mesuré. Nous montrons que cette convergence est exponentielle avec un taux fixe. Nous bornons le temps moyen de convergence. Dans ce cadre, en utilisant les techniques de changement de mesure par martingale, nous obtenons la limite continue des trajectoires quantiques discrètes. Dans un second temps, nous étudions l'influence de l'enregistrement des résultats de mesure sur la préparation d'état par ingénierie de réservoir. Nous montrons que l'enregistrement des résultats de mesure n'a pas d'influence sur la convergence proprement dite. Cependant, nous trouvons que l'enregistrement des résultats de mesure modifie le comportement du système avant la convergence. Nous retrouvons une convergence exponentielle avec un taux équivalent au taux sans enregistrement. Mais nous trouvons aussi un nouveau taux de convergence correspondant a une stabilité asymptotique. Ce dernier taux est interprété comme une mesure non destructive ajoutée. Ainsi l'état du système ne converge qu'après un temps aléatoire. A partir de ce temps la convergence peut être bien plus rapide. Nous obtenons aussi une borne sur le temps moyen de convergence.
Optomécanique micro-onde à ultra-basses températures pour la détection quantique Dans cette thèse, nous introduisons premièrement ce qu’est l’optomécanique ainsi que ce pourquoi les technologies basées sur cette physique peuvent-être utilisées. Nous présentons les systèmes optomécaniques comme étant d’une incroyable sensibilité en force/position et discutons de leurs extraordinaires capacités tel que la détection d’ondes gravitationnelles. De plus, les récents intérêts portant sur l’obervation et l’exploitation des mouvements mécaniques macroscopiques à la limite quantique nous ont amené à mesurer toujours plus bas en temperatures (ainsi qu’à réduire la taille des objects utilisés), ce qui à stimulé le développement d’un nouveau domaine de recherche dans lequel des photons de plus basse énergie (bien plus compatibles avec les basses températures) sont utilisés : l’optomécanique micro-onde. Des circuits micro-ondes supraconducteurs sont donc utilisés et font ainsi passerelle entre l’optomécanique et l’électronique quantique, ce qui positionne l’optomécanique microonde comme une nouvelle ressource pour le traitement quantique de l’information. Les plateformes optomécaniques micro-onde fournissent aussi des capacités uniques pour ce qui est de tester la mécanique quantique au niveau le plus basique. En effet, il ne fait aucun doute que la mécanique quantique s’applique à l’oscillateur harmonique qui représente le mouvement mécanique. Cependant, presque toutes les expérimentations se concentrent sur les deux modes (bosoniques) impliqués dans le couplage optomécanique, à savoir, le mode mécanique ainsi que le mode optique. La plupart des expérimentateurs s’appuient aujourd’hui sur le refroidissement optique actif pour amener l’unique degré de liberté mécanique sur lequel l’intérêt est porté au plus proche de l’état quantique fondamental. Ces objets mécaniques sont donc utilisés hors-équilibre, leur environnement directe étant essentiellement incontrôlé. Cependant, considérant ces systèmes en termes de détecteur opérant à la limite quantique, où devons nous concentrer notre attention ? Sur le bain bien sûr, celui-ci interagissant continûment avec le degré de liberté mécanique. A ce jour, ce n’est pas l’objectif suivi par la plupart des groupes de recherche, et seulement très peu d’expérimentateurs font face à ces questions. Dans ce cas, le sujet d’étude n’est plus le système lui-même, mais son bain environnant. L’objectif est donc de rechercher des déviations aux signatures attendues de l’impact de l’environnement sur la dynamique de la mécanique. Ces signatures pourraient être due à un certain type d’éffondrement stochastique lié par exemple à la gravité quantique. Pour étudier ce sujet, nous avons donc besoin de comprendre parfaitement les comportements des systèmes optomécaniques micro-onde en régime classique ainsi qu’en régime quantique. De plus, contrôler à la perfection leurs bains environnants est une nécessité. Ce projet extrêmement ambitieux requiert donc une expertise certaine en théorie quantique, en cryogénie (démagnétisation nucléaire), ainsi qu’en technologie micro-onde (détection à la limite quantique). Ces points sont le sujet de cette thèse expérimentale.