Physique quantique
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1Notre activité a porté sur la simulation quantique, la manipulation des multiplicités de Rydberg et l’électrodynamique quantique en cavité.
2Nous préparons un simulateur quantique de chaîne de spins (contrats ANR ERYQSENS et TRYAQS, Flagship PASQUANS, ERC TRENSCRYBE) fondé sur des atomes de Rydberg circulaires piégés par laser et protégés de l’émission spontanée, avec une durée de vie de l’ordre de la minute. Une méthode déterministe prépare et détecte une chaîne contenant une quarantaine d’atomes. Nous avons exploré théoriquement avec D. Papoular (LPTM) le processus quantique de refroidissement évaporatif dans la préparation de la chaîne [5]. Les interactions dipolaires entre atomes et un habillage micro-onde rendent la chaîne équivalente à un ensemble de spins avec une interaction générale entre plus proches voisins. Elle simule donc un système paradigmatique de matière condensée, suffisamment complexe pour démontrer un avantage décisif de la simulation sur l’approche numérique.
3Du point de vue expérimental, nous avons préparé des niveaux circulaires dans un nuage refroidi par laser. Nous avons mesuré leur temps de vie (indiquant une bonne thermalisation du champ micro-onde) et leur cohérence (résultats en cours de rédaction). Nous avons ensuite observé le piégeage des atomes circulaires pendant une dizaine de millisecondes dans un faisceau laser « creux ». Ni leur durée de vie ni leur cohérence ne sont affectées. Un autre article est en préparation. Nous passerons ensuite à des « pinces optiques » pour atomes circulaires permettant d’observer leur interaction et de valider le principe du simulateur.
4Nous avons développé des techniques puissantes de manipulation quantique des multiplicités de Rydberg (ANR SNOCAR). Elles nous ont permis de réaliser des électromètres et magnétomètres avec des performances inédites. Le résultat le plus récent est un magnétomètre utilisant un chat de Schrödinger atomique, superposition des deux états circulaires de moments cinétiques opposés [1].
5Ces expériences nécessitent la préparation rapide et efficace d’états choisis de la multiplicité de Rydberg à partir des états de faible moment angulaire, accessibles par laser. En collaboration avec le groupe de C. Koch (université de Kassel), nous avons utilisé des techniques de contrôle quantique pour optimiser cette préparation. En appliquant aux atomes une impulsion radiofréquence résonante avec les transitions entre niveaux Stark et en contrôlant précisément la forme de cette impulsion, nous avons préparé des états circulaires en 120 ns, avec une pureté de 96 %, en dépit des défauts quantiques des niveaux de faible moment angulaire du rubidium. Nous avons mis au point des impulsions préparant directement une superposition d’un état circulaire et d’un état de grand dipôle [4]. Ce sont des étapes essentielles pour le développement des électromètres quantiques à atomes de Rydberg.
6Cette activité évolue dans deux directions complémentaires. En excitant dans les niveaux circulaires des atomes froids dans une cellule à température ambiante et en les protégeant du rayonnement thermique par une structure sous coupure, nous développons un magnétomètre libéré des complications du montage cryogénique. D’autre part, nous étendons l’expérience à un atome à deux électrons, le strontium. Avec un électron dans l’état circulaire, les transitions optiques du cœur ionique permettent de piéger et refroidir l’atome. En réduisant de manière contrôlée et réversible (par contrôle quantique) le moment angulaire de l’électron de Rydberg, on peut aussi envisager détecter l’état de Rydberg sans destruction par la perturbation que l’électron externe induit sur le cœur. Nous avons préparé des états circulaires du Strontium. Nous avons observé une autoionisation négligeable et vérifié qu’ils sont insensibles à l’excitation optique du cœur. Ces résultats (en cours de rédaction) sont encourageants pour la métrologie quantique et pour l’évolution à long terme du projet de simulateur quantique.
7Avec des atomes circulaires lents et une cavité micro-onde de haute finesse, nous avons pu observer les résurgences quantiques de l’oscillation de Rabi dans un régime sans précédent. Nous avons mis en évidence les grands chats de Schrödinger préparés par cette interaction [3]. Nous avons utilisé l’interaction dispersive d’un atome unique avec la cavité pour sélectionner un nombre de photons donné ou pour préparer une superposition de deux états de Fock. Ce résultat est en cours de rédaction. L’expérience évoluera à court terme vers la démonstration du piégeage d’états circulaires, protégés de l’émission spontanée, sur des temps longs – une étape importante vers le simulateur quantique.
8En parallèle, nous avons exploré expérimentalement une méthode de reconstruction d’un état quantique du champ fondé sur l’analyse de trajectoires quantiques [2]. Nous l’avons appliquée à l’état de deux cavités intriquées par interaction avec un atome. Nous avons démontré la puissance de cette méthode dans un espace de Hilbert trop complexe pour que les méthodes usuelles de tomographie soient efficaces. Les deux cavités sont maintenant utilisées pour des expériences de thermodynamique quantique (ANR QUDICE). La reconstruction précise de l’état des cavités permet une analyse détaillée des échanges d’énergie et d’information (entropie) entre atomes et cavités. Nous avons déjà réalisé une première expérience de « démon de Maxwell », en cours de rédaction.
Publications principales
9Dietsche E.K.,Larrouy A., Haroche S., Raimond J.-M., Brune M. et Gleyzes S., « High-sensitivity magnetometry with a single atom in a superposition of two circular Rydberg states », Nat. Phys, vol. 15, p. 326-329, 2019, https://doi.org/10.1038/s41567-018-0405-4.
Métillon V., Gerlich S., Brune M., Rouchon P. et Dotsenko I., « Benchmarking maximum-likelihood state estimation with an entangled two-cavity state », Phys. Rev. Lett., vol. 123, 060404, 2019.
Assémat F., Grosso D., Signoles A., Facon A., Dotsenko I., Haroche S., Raimond J.-M., Brune M. et Gleyzes S., « Quantum Rabi oscillations in coherent and in mesoscopic ‘cat’ field states », Phys. Rev. Lett., vol. 123, 143605, 2019 [arXiv : 1905.05247].
Larrouy A., Patsch S., Richaud R., Raimond J.-M., Brune M., Koch C.P.et Gleyzes S., « Fast navigation in a complex Hilbert space using quantum optimal control », Phys. Rev X, vol. 10, 021058, arXiv : 1911.02694.
Brune M. et Papoular D.J., « Evaporative cooling of a Rydberg atom chain to near its ground state », Phys. Rev. Research, vol. 2, 023014, arXiv : 1090.02367.
References
Bibliographical reference
Jean-Michel Raimond, “Physique quantique”, L’annuaire du Collège de France, 119 | 2022, 747-748.
Electronic reference
Jean-Michel Raimond, “Physique quantique”, L’annuaire du Collège de France [Online], 119 | 2022, Online since 01 March 2022, connection on 15 February 2026. URL: http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/17884; DOI: https://doi.org/10.4000/annuaire-cdf.17884
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