Responsable : Jean-Michel Raimond

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1Notre activité a porté en 2016 sur quatre expériences. Deux sont consacrées à l’électrodynamique quantique en cavité, une aux interactions dans des nuages froids d’atomes de Rydberg, états très excités d’un atome de rubidium, la dernière à des manipulations quantiques complexes dans les multiplicités de Rydberg.

2Nous avons obtenu des résultats importants avec cette dernière expérience. Nous avons préparé une superposition quantique de deux états aux propriétés classiques différentes : un état de Rydberg circulaire, peu sensible à un champ électrique appliqué et un état de grand moment dipolaire. Cette superposition évoque le « chat de Schrödinger », suspendu dans des limbes quantiques entre vie et mort. Recombinant ces états, nous obtenons un signal d’interférence quantique sensible au champ électrique. Nous avons montré que la résolution obtenue sur la mesure de ce champ dépasse la « limite quantique standard » qui est obtenue quand l’atome reste dans des états quasi-classiques ordinaires. Cette amélioration de la sensibilité, que nous avons poussée dans des expériences récentes jusqu’à la limite quantique ultime (limite de Heisenberg), peut conduire à des applications intéressantes, en particulier pour la physique mésoscopique, puisque un petit échantillon d’atomes de Rydberg pourrait détecter la présence d’un unique électron à une distance de 300 µm. Ces résultats ont été publiés dans Nature. Plus récemment, nous avons montré que nous pouvons aussi mesurer la fonction de corrélation du champ électrique avec une excellente résolution temporelle, un autre résultat essentiel pour la physique mésoscopique (article en cours de rédaction). Nous tentons maintenant de préparer une superposition de deux états circulaires dans lesquels l’électron tourne dans des directions opposées. Cette superposition est, par symétrie, insensible au champ électrique mais très sensible au champ magnétique.

3Nous avons analysé, en collaboration avec L. Davidovich pendant son dernier séjour invité au Collège, une autre expérience de métrologie quantique réalisée avant notre déménagement avec des atomes de Rydberg circulaires et une cavité microonde supraconductrice de très haute qualité. Nous avons utilisé un état « chat de Schrödinger » du champ de la cavité (superposition de deux états cohérents de phase différente) pour mesurer l’amplitude d’un petit champ ajouté dans la cavité. Nous avons montré, en utilisant l’information de Fischer, qu’elle dépasse largement la précision imposée par la limite quantique standard (publication dans PRA).

4Depuis son installation au Collège, nous avons reconstruit le cœur de cette expérience pour installer une seconde cavité microonde. Un atome traversant les deux cavités intrique leur état, créant une superposition non locale à la Einstein-Podolsky-Rosen. Avec des champs mésoscopiques, nous explorerons les relations entre non-localité et décohérence. Nous avons en parallèle étudié des méthodes nouvelles pour la reconstruction de l’état des cavités (article dans PRA). L’expérience est maintenant opérationnelle, avec deux cavités de haute qualité accordées sur la fréquence atomique.

5Nous montons une nouvelle expérience d’électrodynamique en cavité, avec des atomes de Rydberg lents. Les longs temps d’interaction avec la cavité (quelques millisecondes) rendent possibles de nouvelles expériences. Nous nous proposons d’étudier la dynamique de Zénon quantique, résultant d’une mesure répétée sur le champ. Cette dynamique conduit à la préparation d’états non classiques intéressants. Nous étudierons également la stabilisation contre la décohérence de superpositions quantiques de plusieurs composantes cohérentes, obtenues en couplant la cavité à un environnement contrôlé fait d’un ensemble d’atomes. L’expérience est maintenant opérationnelle.

6Notre dernière activité porte sur les interactions de van der Waals dans des ensembles d’atomes de Rydberg préparés à partir d’atomes piégés sur une puce atomique supraconductrice. Nous avons exploré théoriquement une proposition ambitieuse pour la simulation quantique. Nous envisageons de piéger par laser des atomes de Rydberg circulaires dans un condensateur plan qui inhibe leur émission spontanée. La durée de vie des atomes peut alors atteindre une minute, un résultat remarquable. Nous proposons une méthode déterministe de préparation et de détection d’une chaîne contenant jusqu’à une quarantaine d’atomes piégés dans un réseau optique. Les interactions dipolaires entre ces atomes, un habillage microonde et un choix optimal de niveaux rendent la chaîne équivalente à un ensemble de spins interagissant entre plus proches voisins de la façon la plus générale, avec des temps caractéristiques très courts à l’échelle du temps de vie de la chaîne. Sa dynamique simule donc un des systèmes paradigmatiques de la physique de la matière condensée, suffisamment complexe pour qu’une approche numérique classique soit impossible en raison de la taille gigantesque de l’espace de Hilbert. Tous les paramètres du Hamiltonien peuvent être contrôlés en temps réel, ouvrant des perspectives nouvelles pour la simulation quantique. Un article résumant la proposition a été soumis. Nous avons obtenu un financement de l’ANR (projet TRYAQS) pour commencer la réalisation de l’expérience. Nous avons installé dans notre cryostat les composants nécessaires aux premières expériences de piégeage des atomes circulaires. Là encore, l’expérience est maintenant opérationnelle.

Publications

Publications principales

7Facon A., Dietsche E.K., Grosso D., Haroche S., Raimond J.-M., Brune M. et Gleyzes S., « A sensitive electrometer based on a Rydberg atom in a Schrödinger-cat state », Nature, vol. 535, n^o 7611, 2016, p. 262-265, DOI : 10.1038/nature18327.

Penasa M., Gerlich S., Rybarczyk T., Métillon V., Brune M., Raimond J.M., Haroche S., Davidovich L. et Dotsenko I., « Measurement of a microwave field amplitude beyond the standard quantum limit », Physical Review A, vol. 94, n^o 2, 2016, DOI : 10.1103/PhysRevA.94.022313 [arXiv: 1605.09568].

Six P., Campagne-Ibarcq P., Dotsenko I., Sarlette A., Huard B. et Rouchon P., « Quantum state tomography with noninstantaneous measurements, imperfections, and decoherence », Physical Review A, vol. 93, n^o 1, 2016, p. 012109, DOI : 10.1103/PhysRevA.93.012109.

Autres publications

8Raimond J.-M., « Explorer le monde quantique à la lumière de la lumière », in B. Boulanger, S. Guellati-Khélifa, D. Hennequin et M. Stehle (dir.), La Lumière en lumière. Du photon à l’Internet, Les Ulis, EDP sciences, 2016, p. 23-26.

Raimond J.-M., « Piéger la lumière pour explorer le monde quantique », Reflets de la physique, vol. 47, 2016, p. 41.

Marchetti M.C., Raimond J.-M., « Physical Review X: five years and beyond », Physical Review X, vol. 6, n^o 2, 2016, 020001.