Dissertations / Theses: 'Électrodynamique quantique en cavité'

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Deléglise, Samuel. "Reconstruction complète d'états non-classiques du champ en électrodynamique quantique en cavité." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2009. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00477136.

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Abstract:

Notre dispositif d'électrodynamique quantique en cavité permet de faire interagir dans le régime de couplage fort deux systèmes simples et parfaitement contrôlés : des atomes à deux niveaux et un seul mode du champ électromagnétique. Des miroirs supraconducteurs permettent de stocker le champ électromagnétique micro-onde dans une cavité pendant plus d'un dixième de seconde. Afin de sonder et de manipuler le champ piégé, nous utilisons des atomes de Rubidium excités dans les états de Rydberg circulaires. Les atomes interagissent un à un avec la cavité dans le régime dispersif. Ils se comportent alors comme de petites horloges dont la fréquence est affectée par les photons piégés grâce au phénomène de déplacement lumineux. Les petites modifications de la phase atomique après la traversée du mode sont mesurées par interférométrie de Ramsey, permettant de compter le nombre de photons piégés. En adaptant légèrement la méthode, on parvient à reconstruire complètement la matrice densité du champ piégé. Cette technique a été appliquée à différents états non-classiques du champ : des états de Fock, dont le nombre de photons est parfaitement déterminé, et des états chat de Schrödinger. Ces derniers sont formés de la superposition quantique de deux champs classiques de phases différentes. En répétant la procédure de reconstruction pour plusieurs délais successifs après la préparation, on obtient un film image par image de l'évolution temporelle de l'état. L'étude de l'évolution de l'état chat de Schrödinger sous l'effet de la décohérence apporte un éclairage intéressant sur le problème de la mesure en mécanique quantique et la frontière entre les mondes classique et quantique.

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De, Santis Lorenzo. "Single photon generation and manipulation with semiconductor quantum dot devices." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2018. http://www.theses.fr/2018SACLS034/document.

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Abstract:

Les phénomènes quantiques les plus fondamentaux comme la cohérence quantique et l’intrication sont aujourd'hui explorés pour réaliser de nouvelles technologies. C'est le domaine des technologies quantiques, qui promettent de révolutionner le calcul, la communication et la métrologie. En encodant l'information dans les systèmes quantiques, il serait possible de résoudre des problèmes inaccessibles aux ordinateurs classiques, de garantir une sécurité absolue dans les communications et de développer des capteurs dépassant les limites classiques de précision. Les photons uniques, en tant que vecteurs d'information quantique, ont acquis un rôle central dans ce domaine, car ils peuvent être manipulés facilement et être utilisés pour mettre en œuvre de nombreux protocoles quantiques. Pour cela, il est essentiel de développer des interfaces très efficaces entre les photons et les systèmes quantiques matériels, tels les atomes uniques, une fonctionnalité fondamentale à la fois pour la génération et la manipulation des photons. La réalisation de tels systèmes dans l'état solide permettrait de fabriquer des dispositifs quantiques intégrés et à large échelle. Dans ce travail de thèse, nous étudions l'interface lumière-matière réalisée par une boîte quantique unique, utilisée comme un atome artificiel, couplée de façon déterministe à une cavité de type micropilier. Un tel dispositif s'avère être un émetteur et un récepteur efficace de photons uniques, et il est utilisé ici pour implémenter des fonctionnalités quantiques de base. Tout d'abord, sous une excitation optique résonante, nous montrons comment nos composants sont des sources très brillantes de photons uniques. L’accélération de l'émission spontanée de la boîte quantique dans la cavité et le contrôle électrique de la structure permettent de générer des photons très indiscernables avec une très haute brillance. Cette nouvelle génération de sources de photons uniques peut être utilisée pour générer des états de photons intriqués en chemin appelés états NOON. Ces états intriqués sont des ressources importantes pour la détection de phase optique, mais leur caractérisation optique a été peu étudiée jusqu’à présent. Nous présentons une nouvelle méthode de tomographie pour caractériser les états de NOON encodés en chemin et implémentons expérimentalement cette méthode dans le cas de deux photons. Enfin, nous étudions le comportement de nos composants comme filtres non-linéaires de lumière. L'interface optimale entre la lumière et la boîte quantique permet l'observation d'une réponse optique non-linéaire au niveau d'un seul photon incident. Cet effet est utilisé pour démontrer le filtrage des états Fock à un seul photon à partir d’impulsions classiques incidentes. Ceci ouvre la voie à la réalisation efficace d’interactions effectives entre deux photons dans un système à l’état solide, une étape fondamentale pour surmonter les limitations dues au fonctionnement probabilistes des portes optiques linéaires
Quantum phenomena can nowadays be engineered to realize fundamentally new applications. This is the field of quantum technology, which holds the promise of revolutionizing computation, communication and metrology. By encoding the information in quantum mechanical systems, it appears to be possible to solve classically intractable problems, achieve absolute security in distant communications and beat the classical limits for precision measurements. Single photons as quantum information carriers play a central role in this field, as they can be easily manipulated and can be used to implement many quantum protocols. A key aspect is the interfacing between photons and matter quantum systems, a fundamental operation both for the generation and the readout of the photons. This has been driving a lot of research toward the realization of efficient atom-cavity systems, which allows the deterministic and reversible transfer of the information between the flying photons and the optical transition of a stationary atom. The realization of such systems in the solid-state gives the possibility of fabricating integrated and scalable quantum devices. With this objective, in this thesis work, we study the light-matter interface provided by a single semiconductor quantum dot, acting as an artificial atom, deterministically coupled to a micropillar cavity. Such a device is shown to be an efficient emitter and receiver of single photons, and is used to implement basic quantum functionalities.First, under resonant optical excitation, the device is shown to act as a very bright source of single photons. The strong acceleration of the spontaneous emission in the cavity and the electrical control of the structure, allow generating highly indistinguishable photons with a record brightness. This new generation of single photon sources can be used to generate path entangled NOON states. Such entangled states are important resources for sensing application, but their full characterizatiob has been scarcely studied. We propose here a novel tomography method to fully characterize path entangled N00N state and experimentally demonstrate the method to derive the density matrix of a two-photon path entangled state. Finally, we study the effect of the quantum dot-cavity device as a non-linear filter. The optimal light matter interface achieved here leads to the observation of an optical nonlinear response at the level of a single incident photon. This effect is used to demonstrate the filtering of single photon Fock state from classical incident light pulses. This opens the way towards the realization of efficient photon-photon effective interactions in the solid state, a fundamental step to overcome the limitations arising from the probabilistic operations of linear optical gates that are currently employed in quantum computation and communication

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Bernu, Julien. "Mesures QND en électrodynamique quantique en cavité : production et décohérence d'états de Fock : effet Zénon." Paris 6, 2008. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00351299.

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Abstract:

Nous avons réalisé une mesure Quantiques Non Destructives du nombre de photons d'un champ piégé dans une cavité de temps d'amortissement T=0,13s. Nous envoyons des atomes de Rydberg circulaires à travers la cavité où une interaction dispersive déplace leur fréquence propre proportionnellement au nombre de photons. Ce déplacement lumineux est détecté par interférométrie atomique de Ramsey. Le temps d'amortissement du champ est suffisamment long pour permettre d'observer les sauts quantiques du nombre de photons dus à la relaxation. L'analyse statistique des différentes trajectoires permet de réaliser une tomographie partielle de ce processus responsable de la décohérence des états de Fock |n> en un temps T/n. La projection d'un champ initialement cohérent sur un état de Fock lors de la mesure s'accompagne d'une dispersion totale de sa phase. Cette action en retour est utilisée pour geler la croissance cohérente du champ par effet Zénon quantique
We have implemented a Quantum Non Demolition measurement of the photon number of a field stored in a cavity of damping time T=0. 13s. We send circular Rydberg atoms in the cavity. A dispersive interaction shifts the atomic frequency linearly in the photon number. This light-shift is detected by atomic Ramsey interferometry. The cavity damping time is long enough to observe the quantum jumps induced by relaxation. By a statistical analysis of the different trajectories, we carry out a partial tomography of this process responsible for the decoherence of the Fock states |n> within a time T/n. The projection of the initially coherent field onto a Fock state during a measurement completely blurs the field phase simultaneously. This back-action can freeze the coherent growth of the field by quantum Zeno effect

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Hagenmuller, David. "Electrodynamique quantique en cavité d'un système d'électrons bidimensionnel sous champ magnétique." Paris 7, 2012. http://www.theses.fr/2012PA077263.

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Abstract:

Dans ce manuscrit de thèse, nous nous intéressons au couplage entre le champ électromagnétique quantifi au sein d'un résonateur optique et la transition cyclotron d'un gaz d'électrons bidimensionnel soumis à un champ magnétique perpendiculaire. Nous montrons que ce système peut atteindre un régime de couplage ultrafort inédit, dans lequel la fréquence de Rabi du vide (quantifiant l'intensité de l'interaction lumière-matière) devient comparable ou plus grande que la fréquence de la transition cyclotron pour des facteurs de remplissage suffisamment élevés. Nos prédictions théoriques ont alors donné lieu à une vérification expérimentale spectaculaire. En outre, nous avons généralisé la théorie au cas du graphène dont les excitations de basse énergie sont convenablement décrites par un hamiltonien de Dirac sans masse. Nous montrons que si le couplage ultrafort peut également être atteint dans ce cas, des différences qualitatives importantes apparaissent par rapport au cas des fermions massifs du semiconducteur
In this thesis manuscript, we present a theory describing the coupling between the quantized electromagnetic field of a cavity resonator and the cyclotron transition between Landau levels in a two¬dimensional electron gas in presence of a perpendicular magnetic field. We show that such a system can reach an unprecedented ultrastrong coupling regime, where the vacuum Rabi frequency (quantifying the strength of the light-matter interaction) can be comparable or bigger than the cyclotron transition frequency for large enough filling factor. Our theoretical predictions have been demonstrated by spectacular experimental results. Moreover, we have generalized the theory to the case of graphene, whose low-energy excitations are described by a massless Dirac Hamiltonian. We show that the ultrastrong coupling can be also achieved for graphene, leading to strong qualitative differences with respect te the case of massive fermions in a semiconductor

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Baksic, Alexandre. "Transitions de phase quantiques dans le régime de couplage ultrafort de l'electrodynamique quantique." Paris 7, 2014. http://www.theses.fr/2014PA077165.

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Abstract:

L'electrodynamique quantique est une discipline qui s'intéresse à l'interaction de la lumière et de la matière à l'échelle atomique. En plaçant des atomes au sein d'une cavité optique, il est possible d'augmenter l'amplitude de leur interaction avec les fluctuations du vide du champ électromagnétique. Il est même possible de l'augmenter d'une façon telle qu'une transition de phase quantique "superradiante" ait lieu, le système passant d'un état dit normal (vide de photons et atomes dans leur état fondamental) à un état dit superradiant (présence de photons et d'excitations atomiques au sein de l'état fondamental). Cependant, cette prédiction théorique semble être interdite par le "théorème No-Go" pour les transitions de phases superradiantes. Nous avons remis en cause certaines des hypothèses de ce théorème et montré que sous ces nouvelles conditions, la transition de phase superradiante est possible. Nous nous sommes également intéressés à une nouvelle discipline, l'électrodynamique des circuits, qui permet de créer des "atomes artificiels" composés de matériaux supraconducteurs dont les propriétés sont plus flexibles et contrôlables que les "atomes naturels". Cette plus grande flexibilité nous a permis d'envisager un nouveau type de transition de phase superradiante laissant apparaître un diagramme de phase plus riche que la transition de phase superradiante traditionnelle
Quantum Electrodynamics describes the interaction of light with matter at atomic scale. By placing atoms inside a cavity, it is possible to increase the amplitude of their interaction with vacuum electromagnetic fluctuation. It is even possible to increase it in such a way that a quantum superradiant phase transition occurs, the system passing from a phase called normal (atoms in their ground state and vacuum of photons) to a phase called superradiant (macroscopic number of atomic and photonic excitations in the ground state). However, this theoretical prediction seems prohibited by the "No-go theorem" for superradiant phase transitions. We reconsidered some of the assumptions that led to this theorem and showed that with those new assumptions the superradiant phase transition can occur. We also took advantage of a new field, Circuit Quantum Electrodynamics, which focuses on the behaviour of "artificial" atoms made out of superconducting materials, which are more flexible and controllable than "real" atoms. This greater flexibility, allowed us to consider a new type of superradiant phase transition that led to a richer phase diagram than the traditional one

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Besga, Benjamin. "Micro-cavité Fabry Perot fibrée : une nouvelle approche pour l'étude des polaritons dans des hétérostructures semi-conductrices." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01059382.

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Abstract:

L'interaction entre la lumière et la matière est au coeur de la physique quantique depuis ses origines. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre les excitations élémentaires d'une hétérostructure semi-conductrice (excitons de boîtes et de puits quantiques) et le mode du champ d'une cavité Fabry Perot fibrée. Nous présentons une caractérisation des propriétés géométriques et spectrales des modes de la micro-cavité fibrée plan-concave. Cette dernière est entièrement ajustable et cette nouvelle approche nous permet d'étudier plusieurs régimes de l'électrodynamique quantique d'émetteurs solides en cavité. Pour une boîte quantique unique dans une micro-cavité fibrée nous obtenons un couplage à la limite du régime de couplage fort et une coopérativité supérieure à l'unité, traduisant le potentiel d'un tel système pour des applications dans le domaine de l'information quantique. Pour un puits quantique dans une micro-cavité fibrée, le couplage obtenu est comparable a celui observé dans des structures intégrées et permet d'étudier plusieurs aspects de la physique des polaritons confinés optiquement. Ces derniers, issus du couplage fort d'un exciton et d'un photon, possèdent un temps de vie relativement long qui permet d'étudier les propriétés thermodynamiques du système. Le rôle du désordre dans le puits quantique est explicité. Cela nous permet d'interpréter la non-linéarité de la photoluminescence des polaritons avec la puissance de pompe en termes de transition de Dicke. Enfin, le confinement optique des polaritons, permet d'étudier le rôle des interactions entre polaritons et ouvre la voie vers un régime de blocage quantique de polariton.

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Braive, Rémy. "Contrôle de l'émission spontanée dans les cristaux photoniques." Paris 7, 2008. http://www.theses.fr/2008PA077141.

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Abstract:

Pour controler l'emission spontanee, la solution que nous avons etudiee utilise l'effet purcell pour accélérer la dynamique de l'émission spontanée préférentiellement dans le mode laser. On appelle β la fraction de l'émission spontanée dans ce mode. Pour cela, il est indispensable d'avoir une cavité avec un fort q et un faible v. Les cavités à cristal photonique permettent d'obtenir ses caractéristiques en choisissant un dessin adéquat. Nous avons choisi la cavité à double hétérostructure pour notre étude. En modifiant la taille du défaut de la cavité, nopus avons pu mettre en évidence la saturation de l'émission spontanée et l'effet laser. Dans le second cas, la fraction β a pu être contrôlée pour atteindre des valeurs entre 0,44 et 0,93. Avec une cavité présentant un facteur p de 0,67, une étude de sa réponse temporelle à une impulsion laser nous a permis d'investiguer la dynamique de l'effet laseren fonction de la puissance d'excitation. Pour des puissances supérieurs à celle du seuil, la réponse de la cavité est limitée par le temps de capture des porteurs par les boîtes quantiques et le temps de vie des photons dans la cavité. Ces temps sont tous deux de l'ordre de 20 ps, ce qui induit un profil gaussien pour la réponse. Ces caractéristiques temporelles nous ont permis d'obtenir un taux de répétition maximum avec des modulations dirctes de 10 ghz. Dans le même temps, nous avons mené une étude de l'élargissement de la raie laser. Pour une simple impulsion, le chirp est linéaire lors de l'impulsion avec un facteur de henry de 3. En réitérant cette démarche pour les modulations directes, le chirp est identique à celui obtenu avec une impulsion simple
To control spontaneous emission, the invetigated solution is the use of the purcell effect. It allows an acceleration of spontaneous emission especially in the laser mode. The ratio of spontaneous emission in the mode over the total spontaneous emission is called β. An increased of this ratio can be achieved with a high q-factor and a small volume. Photonic crystals are able to fulfill these criterions depending on the design. In this study, we are focused on the double heterostructure cavity. By changing the size of the defect, we were able to show saturation of spontaneous emission and laser effect. β have been tunned from 0. 44 to 0. 93 as a function of the defect. A cavity with a β factor of 0. 67 has been used to study the temporal response of the cavity to a pulsed excitation for various pump power. Above threshold, the response is limited by either the time capture of quantum dots or photons lifetime in the cavity. Both of them are of the order of 20 ps, which explain the gaussian shape observed. This characteristic allows us to obtain a repetition rate with direct modulations as high as 10 ghz. For a single pulse excitation, we determine an enhancement linewidth factor of 3 and a linear displacement of the wavelenght during the pluse duration. When we study the repetition rate, the same behavior is observed independently of the pulse

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Gehr, Roger Peter. "Cavity based high-fidelity and non-destructive single atom detection on an atom chip." Paris 6, 2011. http://www.theses.fr/2011PA066087.

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Abstract:

Dans ce mémoire, nous démontrons la préparation et la détection d’atomes uniques sur une puce à atomes. Nous préparons un atome unique de Rubidium couplé fortement à un résonateur optique de haute finesse intégrée à la puce à atomes. L’atome est extrait d’un condensat de Bose-Einstein et piégé à une position de couplage maximum au résonateur. Nous mesurons le spectre du système couplé et démontrons qu’il se situe dans le régime de couplage fort d’électrodynamique quantique. Ceci nous permet d’utiliser la transmission et la réflexion du résonateur pour déduire l’état hyperfine de l’atome piégé. Nous obtenons une fidélité de détection de 99. 93% avec un temps de détection de 100 microsecondes. L’atome reste piégé pendant la détection. Cette performance est comparable aux expériences d’ions piégés et est compatible avec des techniques de correction d’erreurs dans le cadre de l’information quantique. Nous mesurons également le taux de diffusion de photons pendant la détection, et démontrons que nous détectons l’état interne de l’atome avec une erreur inférieure à 10% en diffusant moins de 0. 2 photons en moyenne. Pour conclure la caractérisation du processus de détection, nous analysons la projection de l’état atomique due à la mesure en effectuant une expérience de type Zeno quantique. Nous démontrons que chaque photon incident sur la cavité réduit la cohérence de l’état atomique d’un facteur de 0. 7. La détection présentée est donc proche de l’exemple type d’une mesure projective d’un system quantique à deux niveaux

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Penasa, Mariane. "Mesure au-delà de la limite quantique standard de l'amplitude d'un champ électromagnétique dans le domaine micro-onde." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066528/document.

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Abstract:

Intermédiaire essentiel au dialogue entre théorie et vérification expérimentale, la mesure n'a de sens que si la précision des résultats est élevée. La métrologie en laboratoire s'attache à augmenter autant que possible la précision avec laquelle l'expérimentateur a accès à la valeur d'un paramètre. Le bruit quantique affectant la mesure impose une limite sur la précision maximale accessible à partir d'états quasi-classiques: la limite quantique standard (SQL). La métrologie quantique cherche à utiliser les caractéristiques propres à la mécanique quantique pour la dépasser et se rapprocher le plus possible de la limite ultime, physiquement non franchissable, appelée limite de Heisenberg. Dans ce mémoire, nous avons développé une stratégie de mesure d'un champ électromagnétique contenant moins d'un photon basée sur l'utilisation de corrélations atome-champ dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. L'idée est de mesurer l'amplitude de ce petit champ en sondant la perturbation qu'il introduit sur un état intriqué atome-champ mésoscopique déjà présent dans une cavité supraconductrice. Nous avons pu démontrer que le choix de notre mesure est, en principe, optimal grâce aux outils que sont l'information de Fisher (dépendant du processus de mesure) et l'information de Fisher dite quantique (qui elle n'en dépend pas), liées à la précision sur la mesure par des inégalités de type Cramér-Rao. Expérimentalement, nous avons très largement dépassé la précision obtenue sur l'amplitude du champ électromagnétique par une mesure classique et nous nous sommes rapprochés de la limite de Heisenberg autant que les imperfections expérimentales nous le permettaient
As an essential intermediary between theories and their experimental proofs, measurement is meaningfull if the precision of its results is high. The main emphasis of metrology in laboratories is therefore on increasing as much as possible the precision of the experimental evaluation of a parameter. Quantum noise that affects the measurement establishes a quantitative limit on the maximal precision that can be achieved with classical states: the standard quantum limit (SQL). Quantum metrology aims at using quantum features to beat this limit and to approach the physically ultimate limit called Heisenberg limit. This thesis presents a measurement strategy for an electromagnetic field containing less than one photon, which is based on the use of atom-field correlations in a cavity quantum electrodynamics experiment. The idea is to measure the amplitude of the small field by probing the disturbance caused on an entangled mesoscopic state that is already stored in the superconducting cavity. We demonstrated that our measurement strategy is in principle optimal thanks to two tools: the Fisher information (that depends on the measurement process) and the quantum Fisher information (that does not), which define the precision tanks to Cramér-Rao like equations. The measurement signal subsequently largely exceeded the level of accuracy obtained with classical states and we got as closed to the Heisenberg limit as the experimental imperfections allowed us

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Demory, Justin. "Initialisation de spin et rotation de polarisation dans une boîte quantique en microcavité." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLS006/document.

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Abstract:

Les photons uniques sont des candidats idéaux pour transporter l’information quantique et l'un des défis majeurs est de pouvoir faire interagir ces photons entre eux via une interface lumière-matière efficace. Dans ce contexte, de nombreux travaux de recherche ont visé à implémenter une interface spin-photon, c’est-à-dire une interface entre les qubits volants (photons) et un qubit stationnaire (spin d’un porteur de charge confiné dans un dispositif à l’état solide). Des possibilités prometteuses ont en particulier été ouvertes suite à la démonstration du phénomène de rotation de polarisation induite par un spin unique. Cette rotation Faraday/Kerr, phénomène magnéto-optique bien connu mais appliqué ici à l’interaction avec un spin unique, permet en principe de transférer l’état quantique d’un spin sur l’état quantique des photons transmis/réfléchis. Néanmoins, ces observations de rotation de polarisation induite par un spin unique étaient restées limitées à des angles de rotation de l’ordre de quelques millidegrés.Pendant cette thèse, j'ai démontré qu’une exaltation géante de l’interaction spin-photon peut être obtenue en exploitant les effets de l’électrodynamique quantique en cavité. Le système étudié est constitué d'une boîte quantique semiconductrice (InAs/GaAs) couplée de façon déterministe à une microcavité optique de type micropilier : cette géométrie de cavité constitue une des interfaces les plus efficaces entre un faisceau incident et un système quantique confiné. De plus, la boîte quantique utilisée ici contient un porteur de charge résident dont le spin peut-être initialisé et mesuré optiquement.Durant cette thèse, j’ai réalisé un montage expérimental permettant d’initialiser l’état de spin confiné à l’intérieur de la boîte quantique et d’analyser la rotation de polarisation induite par ce spin. J'ai pu ainsi démontrer qu'il était possible d'initialiser l'état de spin à l'intérieur de la boîte quantique grâce à un faisceau polarisé circulairement. Ayant un état de spin initialisé, j'ai pu ensuite observer la rotation de polarisation induite par le spin confiné d'environ ± 6 °. Cette rotation macroscopique de la polarisation constitue trois ordres de grandeurs par rapport à l'état de l'art précédent. En parallèle des travaux expérimentaux, j'ai étudié théoriquement le phénomène d'initialisation et de rotation de polarisation dans nos systèmes boîte quantique en microcavité. J'ai pu développer des modèles analytiques permettant d'analyser et de prédire les expériences d'excitation résonante et de rotation de polarisation. Ces travaux théoriques ont notamment permis de déterminer des paramètres réalistes pour laquelle la rotation de polarisation optimale est atteinte permettant d'obtenir une interface spin-photon efficace.Cette nouvelle interface entre photon et mémoire quantique ouvre la voie à un large panel d’expériences pour l’information quantique et la communication quantique longue distance
Single photons are ideal candidates to carry quantum information and the major challenge that optical quatum computing must face is to engineer photon matter interaction. A promising way to do so is to implement an efficient spin-photon interface making use of the polarization rotation (so-called Faraday or Kerr rotation) induced by a single spin. Thanks to the polarization rotation, it is possible to transfer the spin state into a polarization state. However, observations of Kerr rotation induced by a single spin were reported only recently, with rotation angles in the few 10-3 degree range.Cavity-QED effects are used to demonstrate a giant exaltation of the spin-photon interaction. The device is a single semiconductor quantum dot spin inserted inside a micropillar, a geometry which currently constitutes the most efficient photonic interface between an external laser beam and a confined cavity mode. Further, quantum dots confine a spin state of charge carrier which can be initialized and optically measured.In this thesis, I realized an experimental setup used to initialize a spin state confined in the quantum dot and to analyze the polarization rotation induced by this spin state. I demonstrated that it was possible to initialize the spin state confined in quantum dot with a circularly polarized beam. Having a well-known spin state, I observed the polarization rotation of ± 6 ° induced by a single spin. This macroscopic polarization rotation is three orders of magnitude three orders of magnitude higher than the previous state of artIn parallel of this experimental work, I studied theoretically spin initialization and polarization rotation phenomenon in our systems. I developed analytical models to characterize and predict the resonant excitation and polarization rotation experiences. Thanks to this theoretical work, I determined realistic parameters for the device to realize an optimal spin-photon interface.This novel way of interfacing a flying qubit and a solid-state quantum memory opens the road for a wide range of applications for quantum information processing and long-distance quantum communication

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Saharyan, Astghik. "Modèles effectifs pour l'optique quantique à photon unique." Electronic Thesis or Diss., Bourgogne Franche-Comté, 2024. http://www.theses.fr/2024UBFCK003.

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Abstract:

Au cours des dernières décennies, l’optique quantique a évolué des cavités à facteur de qualité élevé des premières expériences vers de nouvelles conceptions de cavités impliquant des modes à fuite. Bien que les modèles utilisés dans des expériences standard soient efficaces pour reproduire ces expériences, les fuites de photons sont la plupart du temps traitées de manière phénoménologique ce qui limite l'interprétation des résultats et ne permet pas une étude systématique. Dans ce manuscrit, nous adoptons une approche différente et, à partir des premiers principes, nous dérivons des modèles effectifs qui permettent la caractérisation complète d'un photon unique produit dans la cavité et se propageant dans l'espace libre. Nous proposons un schéma atome-cavité pour la génération de photons uniques et analysons rigoureusement le photon unique sortant dans les domaines temporel et fréquentiel pour différents régimes de couplage. Nous étendons l'analyse en étudiant des modèles de cavités plus réalistes, prenant notamment en compte la structure diélectrique multicouche des miroirs de la cavité. Nous évaluons la force du couplage dipolaire entre un seul émetteur et le champ de rayonnement dans une telle cavité optique. Notre modèle permet de faire varier librement la fréquence de résonance de la cavité, la fréquence de la transition lumineuse ou atomique, ainsi que la longueur d'onde associée à la mise en forme du miroir diélectrique. En particulier, nous montrons qu'en raison des effets induits par la nature multicouche du miroir de la cavité, même dans le régime de cavité haute finesse tel que défini habituellement, la description du système cavité-réservoir peut différer de celle où la structure du miroir est négligée. Pour les cavités très courtes, la longueur effective utilisée pour déterminer le volume du mode de la cavité et les longueurs définissant les résonances sont différentes, et diffèrent notablement de la longueur géométrique de la cavité. Ce n'est que pour des cavités beaucoup plus longues que leur longueur d'onde de résonance que le volume du mode se rapproche asymptotiquement de celui normalement supposé à partir de leur longueur géométrique. Sur la base de ces résultats, nous définissons une fonction de réponse généralisée de la cavité et une fonction de couplage cavité-réservoir, qui tiennent compte de la structure géométrique du miroir de la cavité. Cela nous permet de définir une réflectivité effective pour la cavité avec un miroir multicouche comme si elle avait une structure négligeable. Nous estimons l'erreur d'une telle définition en considérant des cavités de différentes longueurs et structures de miroir. Enfin, nous appliquons ce modèle pour caractériser un photon unique produit dans une telle cavité et se propageant à l'extérieur dans l'espace libre
Over the last decades, quantum optics has evolved from high-quality-factor cavities in the early experiments toward new cavity designs involving leaky modes. Despite efficient models to describe standard experiments, photon leakage is most of the time treated phenomenologically, which restricts the interpretation of the results and does not allow systematic studies. In this manuscript, we take a different approach, and starting from first principles, we derive effective models that allow complete characterization of a leaking single photon produced in the cavity and propagating in free space. We propose an atom-cavity scheme for single-photon generation, and we rigorously analyze the outgoing single photon in time and frequency domains for different coupling regimes. We extend the analysis by studying more realistic cavity models, namely taking into account the multilayer dielectric structure of cavity mirrors. We evaluate the dipole coupling strength between a single emitter and the radiation field within such an optical cavity. Our model allows one to freely vary the resonance frequency of the cavity, the frequency of light or atomic transition addressing it, and the design wavelength of the dielectric mirror. In particular, we show that due to the effects induced by the multilayer nature of the cavity mirror, even in the standardly defined high-finesse cavity regime, the cavity-reservoir system description might differ from the one where the structure of the mirror is neglected. For very short cavities, the effective length used to determine the cavity mode volume and the lengths defining the resonances are different, and also found to diverge appreciably from the geometric length of the cavity. Only for cavities much longer than their resonant wavelength does the mode volume asymptotically approach that normally assumed from their geometric length. Based on these results, we define a generalized cavity response function and cavity-reservoir coupling function, which account for the geometric structure of the cavity mirror. This allows us to define an effective reflectivity for the cavity with a multilayer mirror as if it had a negligible structure. We estimate the error of such a definition by considering cavities of different lengths and mirror structures. Finally, we apply this model to characterize a single photon produced in such a cavity and propagating outside in free space

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Signoles, Adrien. "Manipulations cohérentes d'états de Rydberg elliptiques par dynamique Zénon quantique." Thesis, Paris 6, 2014. http://www.theses.fr/2014PA066614/document.

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Abstract:

Dans ce mémoire, nous décrivons la réalisation d'un nouveau montage expérimental permettant de manipuler, à l'aide d'un champ radiofréquence de polarisation bien définie, l'état interne d'un atome de Rydberg à l'intérieur de la multiplicité Stark. Nous avons utilisé ce dispositif pour transférer, avec une efficacité proche de 1, les atomes depuis un niveau de faible moment angulaire, accessible par excitation optique depuis le fondamental, vers le niveau de Rydberg circulaire, de moment angulaire maximal. Nous avons ensuite cherché à induire des dynamiques quantiques nouvelles de l'état de l'atome et mis en évidence la dynamique Zénon quantique dans un système de grande dimension. En appliquant un champ micro-onde bien choisi, on peut restreindre l'évolution atomique induite par le champ radiofréquence à un sous-ensemble des niveaux Stark de la multiplicité. Cette dynamique confinée est très différente d'une dynamique classique, le système évoluant périodiquement vers un état " chat de Schrödinger ". Nous avons expérimentalement observé cette évolution dans l'espace des phases et mesuré la fonction de Wigner de l'atome au moment de l'apparition du chat, démontrant pour la première fois les aspects non-classiques de la dynamique Zénon quantique dans un espace de Hilbert non-trivial
In this manuscript, we describe the realization of a new experimental setupto manipulate with a well-polarized radiofrequency electric field the internal state of aRydberg atom inside the Stark manifold. We used this setup to transfer with a nearly 1efficiency the atoms from a optically-accessible low-m state to the high angular momentumcircular Rydberg state. We then tried to induce new quantum dynamics of the atomicstate and we showed the quantum Zeno dynamics in a large Hilbert space. By applying awell-choose microwave field, one can restrict the atomic evolution induced by the radiofrequencyfield to a subspace of the Stark manifold. This confined dynamics is very differentfrom a classical dynamics. The system periodically evolves to a « Schrödinger cat state ».We experimentally observed this evolution in the phase space and mesured the atomicWigner function at the cat state . This is the first demonstration of the non-classicalaspect of the quantum Zeno dynamics in a non-trivial Hilbert space

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Hohmann, Leander. "Using optical fibre cavities to create multi-atom entanglement by quantum zeno dynamics." Thesis, Paris 6, 2015. http://www.theses.fr/2015PA066053/document.

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Abstract:

Nous démontrons la création d'états intriqués dans un ensemble d’atomes neutres fondée sur la dynamique Zénon quantique (QZD), à l'aide d'un microrésonateur optique. Notre dispositif expérimental combine une puce à atomes avec une cavité Fabry-Perot fibrée (FFP) et nous permet de piéger un ensemble d’atomes de Rb87 dans un seul ventre d'un piège dipolaire créé dans la cavité. Les atomes sont couplés fortement et identiquement au mode lumineux de la cavité, ce qui permet une mesure non-destructive de leur état collectif.Nous réalisons la QZD en modifiant, par des mesures fréquentes, la dynamique induite par radiation micro-ondes. Nous démontrons que la QZD créé des états intriqués multiparticules de façon déterministe et rapide. Nous caractérisons ces états à l'aide de mesures de la fonction de Husimi Q, donnant accès à la partie symétrique de la matrice densité. Nous étudions l’évolution temporelle d'états impliquant un minimum de 3 à 11 atomes intriqués, qui présentent une fidélité par rapport à l'état W à 36 atomes atteignant 0.37. Nous étudions l'influence de la force de la mesure et des imperfections expérimentales et nous montrons que notre système est bien décrit par des modèles simples sans paramètres ajustables.Nous présentons aussi un travail réalisé en vue de l’amélioration des cavités FFP. Nous discutons notamment la limitation due à l'écart en fréquence des modes propres de polarisation dans des cavités formées par deux fibres optiques microfabriquées avec un laser CO2. Nous démontrons que cet effet dépend de la symétrie des structures microfabriquées et qu'il peut être contrôlé tant au niveau de la fabrication que pendant l'assemblage de la cavité
In this thesis, we show how an optical microcavity setup can create multiparticle entanglement in an ensemble of neutral atoms by means of quantum Zeno dynamics (QZD).Our setup combines an atom chip with a fibre Fabry-Perot (FFP) resonator and allows us to load an ensemble of Rb87 atoms into a single node of an intracavity dipole trap, coupling the atoms strongly and identically to the cavity light field which enables us to perform a quantum non-destructive measurement of their collective state.We realise QZD by modifying the dynamics of the collective state (encoded in atomic hyperfine states addressed with MW radiation) by means of frequent cavity measurements at optical frequency. This QZD is shown to create multiparticle entanglement in a fast and deterministic scheme. To analyse the created states, we reconstruct the symmetric part of the atomic density matrix from 2d measurements of the ensemble's Husimi Q-distribution. We give a time-resolved account of the creation of states with at least 3-11 entangled atoms and fidelity of up to 0.37 with respect to a W state of 36 atoms. Studying the influence of measurement strength and experimental imperfections, we show that our experiments are well described by simple models with no free parameters.This thesis also presents work towards improved FFP cavities. We discuss the problem of frequency splitting of polarisation eigenmodes in cavities made from two fibres microfabricated with a CO2 laser. We show that this effect depends on the symmetry of the microfabricated structures and demonstrate that it can be controlled both at the level of fabrication and when assembling a cavity

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Caillet, Xavier. "Une microcavité semiconductrice source de photons jumeaux contrapropageants à température ambiante." Paris 7, 2009. http://www.theses.fr/2009PA077218.

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Abstract:

Ce travail de thèse a porté sur la conception et la démonstration d'une source semiconductrice de photons jumeaux contrapropageants pour l'information quantique. De nombreux critères rendent cette source prometteuse : intégrabilité, compacité, fonctionnement à température ambiante, efficacité de collection et largeur spectrale des photons générés, contrôle aisé du degré de corrélation en fréquence. . . Plusieurs de ces atouts découlent naturellement de la géométrie originale du dispositif : les photons sont générés par Fluorescence Paramétrique dans un guide d'onde constitué d'un milieu non-linéaire, pompé optiquement par le dessus du guide. L'idée à de ce travail est l'intégration d'une microcavité pour le faisceau de pompe à une structure basée sur la géométrie contrapropageante afin d'optimiser les performances de la source résultante. Après une brève introduction aux sources pour l'information quantique est présentée une étude complète des propriétés du dispositif qui a abouti au dessin d'une structure optimisée. Les échantillons réalisés ont été caractérisés via des mesures de pertes de propagation des modes guidés et des expériences de génération de seconde harmonique. Une expérience de Fluorescence Paramétrique a été ensuite menée afin d'estimer les performances de la nouvelle source. L'intégration d'une microcavité verticale a notamment permis d'augmenter de deux ordres de grandeur l'efficacité de conversion paramétrique du dispositif. La qualité des états quantiques générés a été vérifiée via l'expérience de Hong-Ou-Mandel qui constitue un test d'indistinguabilité entre deux photons. La bonne visibilité mesurée ouvre la voie à un grand nombre d'expériences
This work is devoted to the conception and demonstration of a semiconductor waveguide emitting counterpropagating twin photons for Quantum Information. Several criteria make it a promising device: integrability, compactness, room temperature operation, high collection efficiency, spectral width of the generated photons, and the easy control of the degree of frequency correlation. Some of these properties stems from the original geometry of the device: the generated photons are created by Parametric Fluorescence inside a non-linear waveguide, optically pumped by the top. The idea at the ongin of this work is the integration of a microcavity with a structure based on counterpropagating geometry, which allows to optimise the performances of the source. After a brief introduction of the research field, a complete study of the properties of the device is shown which ended in the design of an optimized structure. The realized samples were characterized through optical losses measurements in the waveguide regime and through Second Harmonic Generation experiments. A Parametric Fluorescence experiment was then conducted in order to estimate the performances of the new device. The integration of a vertical microcavity allowed in particular a two orders of magnitude increase of the source conversion efficiency. The quality of the generated quantum state was verified via a Hong-Ou-Mandel experiment which is a indistinguability test between two photons. The good visibility obtained opens the way to a large number of Quantum Information experiments using this source

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Sayrin, Clément. "Préparation et stabilisation d'un champ non classique en cavité par rétroaction quantique." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00654082.

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Abstract:

L'utilisation de boucles de rétroaction est au cœur de nombreux systèmes de contrôle classiques. Un contrôleur compare le signal mesuré par une sonde à la valeur de consigne. Il dirige alors un actionneur pour stabiliser le signal autour de la valeur ciblée. Étendre ces concepts au monde quantique se heurte à une difficulté fondamentale : le processus de mesure modifie inévitablement par une action en retour le système à contrôler. Dans ce mémoire, nous présentons la première réalisation d'une boucle de rétroaction quantique utilisée en continu. Le système contrôlé est un mode du champ électromagnétique piégé dans une cavité Fabry-Pérot micro-onde de très haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires réalisent par une succession de mesures dites faibles une mesure quantique non-destructive du nombre de photons dans le mode. Étant donnés les résultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections expérimentales du système, un ordinateur de contrôle estime en temps réel la matrice densité du champ piégé dont il déduit l'amplitude de champs micro-ondes classiques à injecter permettant de stabiliser l'état du champ autour d'un état cible. Dans ce mémoire, nous montrons comment nous avons été capables de préparer sur demande et de stabiliser les états de Fock du champ contenant de 1 à 4 photons.

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Rauschenbeutel, Arno. "ATOMES ET CAVITÉ : PRÉPARATION ET MANIPULATION D'ÉTATS INTRIQUÉS COMPLEXES." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2001. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00000826.

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Abstract:

Nous présentons ici la réalisation d'une dynamique quantique conditionnelle et la préparation d'un état intriqué à trois systèmes quantiques dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. Nous couplons des atomes, préparés dans un état de Rydberg circulaire, au mode d'une cavité de très haute surtension, préparé dans l'état vide. A résonance, un échange réversible et cohérent d'un quantum d'excitation entre l'atome et le champ a lieu : l'oscillation de Rabi quantique. En fixant le temps d'interaction à un cycle complet d'absorption et d'émission, nous obtenons une dynamique conditionnelle : la phase quantique de l'état atome--champ change si le mode contient un photon et si l'état atomique est couplé au mode. En revanche, si le mode ne contient pas de photon ou si l'état atomique n'est pas
couplé, la phase reste inchangée. Nous démontrons ce changement de phase et nous faisons varier sa valeur en désaccordant la fréquence du mode par rapport à la transition atomique. De plus, nous vérifions que la dynamique préserve la cohérence des sous-systèmes, menant ainsi à un état intriqué si les deux sont initialement préparés dans des superpositions d'états. Nous interprétons le processus en termes d'une porte logique quantique et nous analysons ses limitations. Dans une deuxième expérience, nous préparons et analysons un état intriqué entre deux atomes et le champ en effectuant des opérations successives et réversibles. Le premier atome est intriqué avec le champ en interagissant avec ce dernier pendant un quart d'oscillation de Rabi. Le deuxième atome effectue ensuite, comme dans la première expérience, une oscillation de Rabi complète. Etant préparé dans une superposition de l'état couplé et de l'état non-couplé, il s'intrique également avec le champ, et donc avec le premier atome. Des mesures dans deux bases orthogonales sont effectuées sur l'état intriqué à trois systèmes résultant. Une analyse des signaux expérimentaux est présentée, confirmant que l'état préparé n'est effectivement pas séparable. Nous discutons des perspectives ouvertes par ces expériences pour le traitement
quantique de l'information.

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Dmytruk, Olesia. "Quantum transport in a correlated nanostructure coupled to a microwave cavity." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLS335/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous étudions d’un point de vue théorique les propriétés physiques de nanostructures couplées à des cavités micro-ondes. L’électrodynamique quantique (QED) en cavité en présence d’une boîte quantique s’est révélée être une technique expérimentale puissante, permettant d'étudier cette dernière par des mesures photoniques en plus des mesures de transport électronique conventionnelles. Dans cette thèse, nous proposons d'utiliser le champ micro-ondes de la cavité afin d’extraire des informations supplémentaires sur les propriétés des conducteurs quantiques : le coefficient de transmission optique est directement lié à la susceptibilité électronique de ces conducteurs quantiques. Nous appliquons ce cadre général à différents systèmes mésoscopiques couplés à une cavité supraconductrice micro-ondes comme une jonction tunnel, une boîte quantique couplée à des réservoirs, un fil topologique et un anneau supraconducteur. La QED en cavité peut être utilisée pour sonder, par l'intermédiaire de mesures photoniques, la dépendance en fréquence de l’admittance du puits quantique couplé à la cavité micro-ondes. En ce qui concerne le fil topologique, nous avons montré que la cavité permet de caractériser la transition de phase topologique, l'émergence de fermions de Majorana, ainsi que la parité de l'état fondamental. Pour l'anneau supraconducteur, nous étudions par l'intermédiaire de la réponse optique de la cavité l’effet Josephson et le passage à l'effet Josephson fractionnaire, qui est associé à l'apparition de fermions de Majorana dans le système. Le cadre théorique proposé dans cette permet de sonder de manière non-invasive un large éventail de nanostructures, des boîtes quantiques aux supraconducteurs topologiques. En outre, il donne de nouvelles informations sur les propriétés de ces conducteurs quantiques, informations non accessibles via des expériences de transport
In this thesis, we study theoretically various physical properties of nanostructures that are coupledto microwave cavities. Cavity quantum electrodynamics (QED) with a quantum dot has been proven to be a powerful experimental technique that allows to study the latter by photonic measurements in addition to electronic transport measurements. In this thesis, we propose to use the cavity microwave field to extract additional information on the properties of quantum conductors: optical transmission coefficient gives direct access to electronic susceptibilities of these quantum conductors. We apply this general framework to different mesoscopic systems coupled to a superconducting microwave cavity, such as a tunnel junction, a quantum dot coupled to the leads, a topological wire and a superconducting ring. Cavity QED can be used to probe the finite frequency admittance of the quantum dot coupled to the microwave cavity via photonic measurements. Concerning the topological wire, we found that the cavity allows for determining the topological phase transition, the emergence of Majorana fermions, and also the parity of the ground state. For the superconducting ring, we propose to study the Josephson effect and the transition from the latter to the fractional Josephson effect, which is associated with the emergence of the Majorana fermions in the system, via the optical response of the cavity. The proposed framework allows to probe a broad range of nanostructures, including quantum dots and topological superconductors, in a non-invasive manner. Furthermore, it gives new information on the properties of these quantum conductors, which was not available in transport experiments

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Nogues, Gilles. "Détection sans destruction d'un seul photon. Une expérience d'électrodynamique quantique en cavité." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 1999. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00001864.

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Abstract:

Les mesures habituelles en optique détruisent les photons
incidents pour convertir leur énergie en un signal détectable.
Cette destruction n'est cependant pas imposée par les lois
quantiques fondamentales et des stratégies de mesure quantique
non-destructive ont été proposées qui permettent la mesure répétée
de champs électromagnétiques. Nous présentons la détection sans
absorption d'un seul photon stocké dans une cavité micro-onde
supraconductrice. Nous utilisons à cette fin des atomes de Rydberg
circulaires, très fortement couplés au champ. Durant son
interaction avec le mode de la cavité, un atome est capable
d'absorber un photon puis de le réémettre. Il s'agit des
oscillations de Rabi quantiques. À la fin de ce cycle
absorption--émission, le photon est encore présent dans la cavité
mais le système atome--champ a gardé une trace de son évolution
dans la phase de sa fonction d'onde qui a tourné de 180°. Nous
détectons ce déphasage grâce à un dispositif d'interférométrie
atomique. Un ensemble d'expériences permet de prouver les
corrélations entre l'atome et l'état du champ et le caractère
non-destructif de la mesure. Une analyse précise des performances
du dispositif et de ses applications possibles pour l'optique
quantique est menée.

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Diniz, Igor. "Electrodynamique quantique des les atomes artificiels supraconducteurs." Phd thesis, Université de Grenoble, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00771451.

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Abstract:

This thesis focuses on two problems in circuit quantum electrodynamics. We first investigate theoretically the coupling of a resonator to a continuous distribution of inhomogeneously broadened emitters. Studying this formalism is strongly motivated by recent proposals to use collections of emitters as quantum memories for individual excitations. Such systems benefit from the collective enhancement of the interaction strength, while keeping the relaxation properties of a single emitter. We discuss the influence of the emitters inhomogeneous broadening on the existence and on the coherence properties of the polaritonic peaks. We find that their coherence depends crucially on the shape of the distribution and not only on its width. Taking into account the inhomogeneous broadening allows to simulate with a great accuracy a number of pioneer experimental results on a ensemble of NV centers. The modeling is shown to be a powerful tool to obtain the properties of the spin ensembles coupled to a resonator. We also suggest an original Josephson qubit readout method based on a dc-SQUID with high loop inductance. This system supports a diamond-shape artificial atom where we define logical and ancilla qubits coupled through a cross-Kerr like term. Depending on the logical qubit state, the ancilla is resonantly or dispersively coupled to the resonator, leading to a large contrast in the transmitted microwave signal amplitude. Simulations show that this original method can be faster and have higher fidelity than methods currently used in circuit QED.

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Ollivier, Harold. "Eléments de théorie de l'information quantique, décohérence et codes correcteurs d'erreurs." Palaiseau, Ecole polytechnique, 2004. http://www.theses.fr/2004EPXX0027.

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Maioli, Paolo. "Détection non destructive d'un atome unique par interaction dispersive avec un champ mésoscopique dans une cavité." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00007691.

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Abstract:

La détection des états d'un qubit est un élément essentiel dans la réalisation d'expériences d'information quantique. Dans le système étudié, le bit quantique est codé dans les états d'énergie interne d'un atome de Rydberg circulaire à deux niveaux. Dans ce mémoire nous présentons une nouvelle technique de détection des atomes de Rydberg circulaires basée sur l'interaction dispersive d'un atome avec un champ micro-onde mésoscopique à l'intérieur d'une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité. L'indice de réfraction de l'atome, dépendant de son niveau d'énergie interne, déphase le champ micro-onde, et une procédure de détection homodyne transforme l'information codée dans la phase du champ en une information d'intensité. L'intensité finale du champ est lue par un échantillon mésoscopique d'atomes. Il s'agit d'une technique de détection non destructive, puisque le processus de détection n'ionise pas l'atome, mais le projette simplement dans l'état mesuré. De plus, le processus de détection intrique l'état interne d'un atome au niveau d'excitation d'un ensemble de plusieurs atomes, permettant de créer des superpositions cohérentes d'états atomiques mésoscopiques et ouvrant de nouvelles perspectives pour des tests de décohérence Nous présentons le principe de la technique et de nombreux résultats expérimentaux, ainsi que de possibles schémas d'application.

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Munsch, Mathieu. "Étude du régime de Purcell pour une boîte quantique unique dans une microcavité semiconductrice : vers une non-linéarité optique géante." Phd thesis, Grenoble 1, 2009. http://www.theses.fr/2009GRE10313.

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Abstract:

L'électrodynamique quantique en cavité (EDQC) étudie l'interaction matière rayonnement à son niveau le plus fondamental, ie lorque la matière est bien décrite par un système à deux niveaux, et la lumière par un mode unique du champ électromagnétique. Les premiers eets d'EDQC ont été observés dans le début des années 80 pour des systèmes de physique atomique. Avec le développement des techniques de micro et nano-fabrication, l'eet Purcell, puis le couplage fort, ont également pu être observés pour des atomes articiels couplés à des cavités semiconductrices. Ces systèmes présentent les avantages d'être potentiellement intégrables sur un circuit et réalisables à grande échelle. Dans ce contexte, les boîtes quantiques semiconductrices (BQ) sont des candidats particulièrement prometteurs. Cependant, à cause de la présence d'une matrice environnante, source intrinsèque de décohérence, ces systèmes s'écartent du paradigme de la physique atomique. Dans le cas des BQs en particulier, ce couplage peut être important et modier les observations de manière singulière. On se propose ici d'étudier la mesure du facteur de Purcell, qui est un des facteurs de mé- rite de l'EDQC, pour une BQ dans une cavité de type micropilier. Diérentes approches seront présentées et comparées entre elles, qui tiennent compte de la spécicité des BQ, et montrent que l'utilisation d'un modèle plus n est nécessaire pour interpréter les résultats obtenus. En- n, le dernier chapitre est consacré à une application intéressante de ce type de système, qui consiste à utiliser la saturation de la boîte quantique pour réaliser une non-linéarité optique à l'échelle du photon unique
Cavity Quantum Electrodynamics (CQED) studies the light-matter interaction at the most fundamental level, ie when matter is well described by a two-level system and when light can be reduced to a single mode of the electromagnetic eld. The rst eects of CQED have been demonstrated in the 80ies in the eld of atomic physics. Thanks to impressive progress in micro and nanoscale fabrication techniques, Purcell eect and strong coupling could be reached for articial atoms coupled to semiconducting cavities during the past decade. Those systems are interesting for their high scalability and their potential for on-chip realisation. Within this context, semiconducting quantum dots (QD) are very promising candidates. However, due to the solid surrounding matrix, which is a source of decoherence, those systems diverge from the paradigm of atomic physics. For QDs in particular, this coupling can be important and thus highly modies the results. We propose here to study the measurement of the Purcell factor, which is an important factor of merit for CQED, in the case of a QD embedded in a micropillar type cavity. Several approaches are presented, which are compared to one-another, and which take into account the specicities of QDs. We show that the use of a more precise model is necessary to interpret the obtained results. The last chapter is devoted to an interesting application for this type of systems which consists in using the saturation of the quantum dot to implement a optical non-linearity at the single photon level

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Berceau, Paul. "Propagation de photons sous champs magnétiques intenses : étude expérimentale de la biréfringence magnétique du vide quantique." Toulouse 3, 2012. http://thesesups.ups-tlse.fr/1906/.

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Abstract:

Cette thèse s'articule autour d'une expérience de métrologie visant à mesurer la biréfringence magnétique du vide. Son principe consiste à mesurer l'ellipticité induite par un champ magnétique transverse pulsé sur un faisceau laser initialement linéairement polarisé. L'ellipticité est proportionnelle au carré du champ magnétique, à la longueur du trajet parcouru dans le milieu et à la biréfringence magnétique de celui-ci. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit en particulier une valeur extrêmement faible pour la valeur de la biréfringence du vide ; sa mesure constitue un véritable défi expérimental. Ce travail présente la caractérisation exhaustive de l'ellipsomètre de grande précision qui associe une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, sur laquelle est asservi un laser Nd:YAG, avec des aimants pulsés délivrant un champ magnétique transverse très intense. Nous exposons ensuite les résultats des mesures d'effet Cotton-Mouton dans le diazote. Ces mesures permettent de faire un étalonnage précis du dispositif expérimental. Nous dressons un bilan des incertitudes associées à ces mesures et l'ensemble des effets systématiques est identifié. Nous donnons enfin les résultats des premiers tirs de champ magnétique effectués dans le vide, ainsi que la sensibilité du dispositif, et les améliorations qui doivent y être apportées. En complément de cette expérience, nous faisons une excursion hors du Modèle Standard et étudions la possibilité d'oscillations, sous champ magnétique, de photons en particules massives : les axions. Nous présentons en particulier les résultats de l'expérience du " mur brillant " réalisée avec des rayons X à l'ESRF de Grenoble
In this work, we present a metrology experiment whose goal is to measure the vacuum magnetic birefringence. It consists in measuring the ellipticity induced by a pulsed transverse magnetic field on a laser beam initially linearly polarized. This ellipticity is proportional to the square of the magnetic field, to the length of the optical path in the medium, and to its magnetic birefringence. In particular, quantum electrodynamics theory predicts a value for the birefringence of the vacuum that is extremely small; its measurement is thus an experimental challenge. This thesis presents the detailed characterization of the high precision ellipsometer. It combines a very high finesse Fabry-Perot cavity, on which is locked a Nd:YAG laser, with pulsed magnets delivering strong transverse magnetic field. We then show the results of our measurements of nitrogen Cotton-Mouton effect. These measurements allow us to precisely calibrate our experimental setup. A detailed error budget is given, and the the entirety of the systematic effects is identified. In the end we give the results of the first magnetic field pulses that have been carried out in vacuum, as well as the sensitivity of the experimental setup, and the improvements that have to be brought on it. We finally present a further work to this experiment, making an excursion beyond the Standard Model. We study the possibility of oscillations of photons into massive particles called axions. We particularly give the results of the "light shinning through the wall experiment" using X-rays and carried out at the ESRF of Grenoble

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Six, Pierre. "Estimation d'état et de paramètres pour les systèmes quantiques ouverts." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016PSLEM019/document.

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Abstract:

La communauté scientifique a réussi ces dernières années à bâtir des systèmes quantiques simples sur lesquels des séries de mesures sont acquises successivement le long de trajectoires quantiques et sans réinitialisation de l’état (opérateur densité) par l’expérimentateur.L’objet de cette thèse est d’adapter les méthodes de tomographie quantique (estimation d’état et de paramètres) à ce cadre pour prendre en compte la rétroaction de la mesure sur l’état, la décohérence et les imperfections expérimentales.Durant le processus de mesure, l’évolution de l’état quantique est alors gouvernée par un processus de Markov à états cachés (filtres quantiques de Belavkin). Pour des mesuresen temps continu, nous commençons par montrer comment discrétiser l’équation maîtresse stochastique tout en préservant la positivité et la trace de l’état quantique, et ainsi sera mener aux filtres quantiques en temps discret. Ensuite, nous développons, à partir de trajectoires de mesures en temps discret, des techniques d’estimation par maximum de vraisemblance pour l’état initial et les paramètres. Cette estimation est accompagnée de son intervalle de confiance. Lorsqu’elle concerne des valeurs de paramètres (tomographie de processus quantique), nous donnons un résultat de robustesse grâce au formalisme des filtres particulaires et nous proposons une méthode de maximisation fondée sur le calcul du gradient par l’adjoint et bien adaptée au cas multiparamétrique. Lorsque l’estimation porte sur l’état initial (tomographie d’état quantique), nous donnons une formulation explicite de la fonction de vraisemblance grâce aux états adjoints, montrons que son logarithme est une fonction concave de l’état initial et élaborons une expression intrinsèque de la variance grâce à des développements asymptotiques de moyennes bayésiennes et reposant sur la géométrie de l’espace des opérateurs densité.Ces méthodes d’estimation ont été appliquées et validées expérimentalement pour deux types de mesures quantiques : des mesures en temps discret non destructives de photons dans le groupe d’électrodynamique quantique en cavité du LKB au Collège de France, des mesures diffusives de la fluorescence d’un qubit supraconducteur dans le groupe d’électronique quantique du LPA à l’ENS Paris
In recent years, the scientifical community has succeeded in experimentally building simple quantum systems on which series of measurements are successively acquired along quantum trajectories, without any reinitialization of their state (density operator) by the physicist. The subject of this thesis is to adapt the quantum tomography techniques (state and parameters estimation) to this frame, in order to take into account the feedback of the measurement on the state, the decoherence and experimental imperfections.During the measurement process, the evolution of the quantum state is then governed by a hidden-state Markov process (Belavkin quantum filters). Concerning continuous-time measurements, we begin by showing how to discretize the stochastic master equation, while preserving the positivity and the trace of the quantum state, and so reducing to discrete-time quantum filters. Then, we develop,starting from trajectories of discrete-time measurements, some maximum-likelihood estimation techniques for initial state and parameters. This estimation is coupled with its confidence interval. When it concerns the value of parameters (quantum process tomography), we provide a result of robustness using the formalism of particular filters, and we propose a maximization technique based on the calculus of gradient by adjoint method, which is well adapted to the multi-parametric case. When the estimation concerns the initial state (quantum state tomography), we give an explicit formulation of the likelihood function thanks to the adjoint states, show that its logarithm is a concave function of the initial state and build an intrinsic expression of the variance, obtained from asymptotic developments of Bayesian means, lying on the geometry of the space of density operators.These estimation techniques have been applied and experimentally validated for two types of quantum measurements: discrete-time non-destructive measurements of photons in the group of cavity quantum electro-dynamics of LKB at Collège de France, diffusive measurements of the fluorescence of a supra-conducting qubit in the quantum electronics group of LPA at ENS Paris

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Bertet, Patrice. "Atomes et Cavité : Complémentarité et Fonctions de Wigner." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2002. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00002496.

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Abstract:

Le principe de complémentarité est un concept fondamental de la
mécanique quantique. Il prédit que, dans une expérience d'interférométrie, toute
tentative pour déterminer quel chemin la particule choisit entre les deux lames
séparatrices brouille inévitablement les franges d'interférence. Dans ce mémoire,
nous présentons une expérience qui illustre ce principe dans un interféromètre de
Ramsey. Des atomes de Rydberg circulaires sont soumis à deux impulsions micro-onde
résonantes sur une transition atomique, qui jouent le rôle de lames séparatrices en
énergie. On observe alors des franges d'interférence dans la probabilité de détecter
l'atome dans un état donné. Dans notre expérience, l'une des deux impulsions est
effectuée dans le mode d'une cavité supraconductrice. Grâce au couplage fort entre
l'atome et la cavité, nous avons pu effectuer l'impulsion même lorsque le champ dans
la cavité contient très peu de photons en moyenne (N<1, impulsion quantique). Les
franges ont alors un contraste réduit car l'état de la cavité mesure celui de
l'atome au sein de l'interféromètre. Cette mesure est de moins en moins efficace
lorsque N augmente. Le contraste des franges augmente donc, jusqu'à atteindre le
contraste intrinsèque d'un interféromètre de Ramsey classique lorsque N>>1. Un
modèle simple, qui ne tient compte que de l'intrication entre l'atome et la cavité,
reproduit quantitativement les observations. Un des intérêts majeurs du dispositif
d'électrodynamique quantique en cavité est de permettre la génération d'états
non-classiques du champ. Il est alors particulièrement intéressant de les
caractériser complètement. Nous présentons en dernière partie de ce mémoire une
méthode directe pour mesurer la fonction de Wigner d'un état quelconque de la
cavité, et son application à un état de Fock à un photon.

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Jeantet, Adrien. "Cavity quantum electrodynamics with carbon nanotubes." Thesis, Sorbonne Paris Cité, 2017. http://www.theses.fr/2017USPCC010/document.

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Abstract:

Les nanotubes de carbone sont largement étudiés pour leurs propriétés mécaniques et électroniques étonnantes. Optiquement, ils sont d'excellents candidats pour les sources à un seul photon à la demande car ils peuvent être excités électriquement et ils peuvent émettre une lumière dégroupée à température ambiante dans les bandes de télécommunications. Cependant, leur efficacité d'émission est faible, les origines de l'émission restent peu claires et la forme spectrale de leur photoluminescence est compliquée.Dans ce travail, nous construisons une configuration originale combinant un microscope confocal et une micro-cavité à base de fibres optiques qui est à la fois spatialement et spectralement réglable. Avec ce dispositif, nous avons observé l'apparition des effets de l'électrodynamique quantique en cavité en analysant l'évolution du couplage dipôle-cavité en fonction du volume de la cavité. Nous avons obtenu une forte accélération du taux d'émission spontanée, grâce à des facteurs Purcell supérieurs à 100. L'efficacité effective associée de la source atteint jusqu'à 50%, conduisant à une luminosité jusqu'à 10%, tout en conservant d'excellentes caractéristiques de dégroupement.Nous observons l'effet du couplage de la cavité en fonction du désaccord de la cavité et développons un modèle pour tenir compte des émetteurs soumis au couplage exciton-phonon en présence d'une cavité. Nous montrons que notre source de photons uniques est accordable sur une gamme de fréquences plus de cent fois supérieure à la largeur spectrale de la cavité, ouvrant ainsi la voie à un multiplexage étendu.Un renforcement supplémentaire du couplage peut ouvrir la voie à la très riche physique des polaritons de cavité unidimensionnels. Inversement, les polaritons de cavité pourraient être un outil pour mieux comprendre la diffusion et les propriétés de localisation des excitons dans les nanotubes de carbone. Enfin, la configuration initiale ici est extrêmement polyvalente et pourrait être utilisée pour coupler d'autres types d'émetteurs, comme les nano-diamants ou les molécules
Carbon nanotubes are extensively investigated for their amazing mechanical and electronic properties. Optically, they are excellent candidates for on-demand single-photon sources because they can be electrically excited and they can emit anti-bunched light at room temperature in the telecoms bands. However, their emission efficiency is low, its origins remain unclear and the spectral shape of their photoluminescence is complicated. In this work, we build an original setup combining a confocal microscope and a fiber based micro-cavity which is both spatially and spectrally tunable. With this device, we observed the rise of cavity quantum electrodynamics effects by analyzing the evolution of the dipole-cavity coupling as a function of the cavity volume. We obtained a strong acceleration of the spontaneous emission rate, due to Purcell factors above 100. The associated effective efficiency of the source reaches up to 50%, leading to a brightness of up to 10%, while keeping excellent anti-bunching features. We observe the effect of the cavity coupling as a function of the cavity detuning, and develop a model to account for emitters undergoing exciton-phonon coupling in the presence of a cavity. We show that our single-photon source is tunable on a range of frequencies more than a hundred times higher than the cavity spectral width, opening the way to extensive multiplexing. Further strengthening of the coupling may open the way to the very rich physics of one-dimensional cavity polaritons. And conversely, cavity polaritons could be a tool to understand better the diffusion, and localization properties of excitons in carbon nanotubes. Finally, the original setup build here is extremely versatile and could be used to coupled other types of emitters, such as nano-diamonds or molecules

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Lebouteiller, Claire. "Dispositif pour le chargement rapide d'une cavité miniaturisée : vers un registre de qubits atomiques." Thesis, Paris 6, 2016. http://www.theses.fr/2016PA066100/document.

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Abstract:

L’exploration expérimentale de l’intrication quantique est un domaine de recherche très actif actuellement. Les systèmes d’électrodynamique quantique en cavité permettent notamment de générer de l’intrication dans des ensembles de plusieurs dizaines de particules, grâce à l’interaction à longue portée fournie par un mode du champ électromagnétique. Mon travail de thèse a consisté à mettre en place un nouveau dispositif expérimental aﬁn d’assurer le chargement rapide et ﬁable d’une cavité optique miniaturisée à l’intérieur de laquelle l’adressage et la détection d’atomes uniques viennent s’ajouter à l’interaction collective fournie par le mode de la cavité. La tomographie quantique des états intriqués requière l’acquisition d’un grand nombre de données expérimentales, un soin tout particulier doit donc être porté quand à la stabilité et à la rapidité de répétition de l’expérience. Pour satisfaire à ces critères, un système de lasers particulièrement compacts et robustes, a été conçu et fabriqué afin d’assurer le refroidissement et l’interaction avec les atomes. Pour permettre la rapidité de répétition de l’expérience, une source de rubidium est utilisée en mode impulsionnel dans l’unique cellule à vide. Elle permet de moduler temporellement la pression atomique en fonction des besoins de l’expérience. Un chargement prompt du piège magnéto-optique est alors possible sans réduire la durée de vie des atomes dans la cavité, au moment où se déroulent les expériences. Le transport des atomes entre leur position de capture et le centre de la cavité s’effectue grâce à un piège dipolaire, déplacé selon son axe fort de confinement à l’aide d’un déflecteur acousto-optique. Cela permet un déplacement rapide, de l’ordre de la centaine de millisecondes pour une distance de 1,5 cm. Grâce à cette combinaison de techniques, ce nouveau dispositif expérimental devrait donner accès à la physique riche des systèmes intriqués à plusieurs dizaines de particules
The study of quantum entanglement is a very active research field. Cavity quantum electrodynamics systems are versatile tools allowing for instance entanglement in mesoscopic systems, that is to say with about a hundred particles. The purpose of the new experimental setup built during this thesis is to reach the single atom manipulation and detection level while working with mesoscopic ensembles, collectively coupled to the cavity mode. Toward this goal, three new experimental techniques have been developed to enable reliable and fast data acquisition rate, essential to reconstruct entangled states by quantum tomography means. First, robust extended cavity diode lasers have been constructed, allowing acquisitions that last for days. Then, a pulsed atomic source has been set up, it combines the advantages of fast magneto-optical trap loading and long lifetime in conservative traps by modulating the pressure inside a single vacuum chamber apparatus on a short timescale. Finally, to ensure the fast transport of cold atomic ensembles from the magneto-optical trap to the cavity position, a dipole trap moved with an acousto-optic deflector has been built. This allows a transport over few centimetres leaving the full optical access to the atomic cloud for other manipulations. Thanks to this new experimental setup, we hope to contribute to the understanding of the rich physics lying beyond multi-particle entangled systems

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Huang, Meng-Zi. "Spin squeezing and spin dynamics in a trapped-atom clock." Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS134.

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Abstract:

Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d'inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED). Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l'horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6E-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1.7E4 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique. Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d'amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d'atomes froids
Atomic sensors are among the best devices for precision measurements of time, electric and magnetic fields, and inertial forces. However, all atomic sensors that utilise uncorrelated particles are ultimately limited by quantum projection noise, as is already the case for state-of-the-art atomic clocks. This so-called standard quantum limit (SQL) can be overcome by employing entanglement, a prime example being the spin-squeezed states. Spin squeezing can be produced in a quantum non-demolition (QND) measurement of the collective spin, particularly with cavity quantum electrodynamical (cQED) interactions. In this thesis, I present the second-generation trapped-atom clock on a chip (TACC) experiment, where we combine a metrology-grade compact clock with a miniature cQED platform to test quantum metrology protocols at a metrologically-relevant precision level. In a standard Ramsey spectroscopy, the stability of the apparatus is confirmed by a fractional frequency Allan deviation of 6E-13 at 1 s. We demonstrate spin squeezing by QND measurement, reaching 8(1) dB for 1.7E4 atoms, currently limited by decoherence due to technical noise. Cold collisions between atoms play an important role at this level of precision, leading to rich spin dynamics. Here we find that the interplay between cavity measurements and collisional spin dynamics manifests itself in a quantum amplification effect of the cavity measurement. A simple model is proposed, and is confirmed by initial measurements. New experiments in this direction may shed light on the surprising many-body physics in this sytem of interacting cold atoms

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Osnaghi, Stefano. "Réalisation d' états intriqués dans une collision atomique assistée par une cavité." Paris 6, 2002. https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00002072.

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Haas, Florian. "Creation of entangled states of a set of atoms in an optical cavity." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00968861.

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Abstract:

In this thesis, we demonstrate the creation and characterization of multiparticle entangled states of neutral atoms with the help of a high finesse cavity. Our experimental setup consists of a fibre-based high finesse cavity above the surface of an atom chip. It allows us to prepare an ensemble of 87Rb atoms with well-defined atom number. The atoms are trapped in a single antinode of an intracavity standing wave dipole trap and are therefore all equally coupled to the cavity mode. We present a scheme based on a collective, quantum non-destructive (QND) measurement and conditional evolution to create symmetric entangled states and to analyze them at the single-particle level by directly measuring their Husimi Q function. We use this method to create and characterize W states of up to 41 atoms. From the tomography curve of the Q function, we reconstruct the symmetric part of the density matrix via different reconstruction techniques and obtain a fidelity of 0.42. Furthermore, we have devised an entanglement criterion which only relies on comparing two populations of the density matrix. We use it to infer the degree of multiparticle entanglement in our experimentally created states and find that the state with highest fidelity contains at least 13 entangled particles. In addition, we show preliminary results on experiments to count the atom number inside a cavity in the QND regime and to create entangled states via quantum Zeno dynamics.

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Berceau, Paul. "Propagation de photons sous champs magnétiques intenses - Etude expérimentale de la biréfringence magnétique du vide quantique." Phd thesis, Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2012. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00766215.

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Abstract:

Cette thèse s'articule autour d'une expérience de métrologie visant à mesurer la biréfringence magnétique du vide. Son principe consiste à mesurer l'ellipticité induite par un champ magnétique transverse pulsé sur un faisceau laser initialement linéairement polarisé. L'ellipticité est proportionnelle au carré du champ magnétique, à la longueur du trajet parcouru dans le milieu et à la biréfringence magnétique de celui-ci. La théorie de l'électrodynamique quantique prédit en particulier une valeur extrêmement faible pour la valeur de la biréfringence du vide ; sa mesure constitue un véritable défi expérimental. Ce travail présente la caractérisation exhaustive de l'ellipsomètre de grande précision qui associe une cavité Fabry-Perot de très haute finesse, sur laquelle est asservi un laser Nd:YAG, avec des aimants pulsés délivrant un champ magnétique transverse très intense. Nous exposons ensuite les résultats des mesures d'effet Cotton-Mouton dans le diazote. Ces mesures permettent de faire un étalonnage précis du dispositif expérimental. Nous dressons un bilan des incertitudes associées à ces mesures et l'ensemble des effets systématiques est identifié. Nous donnons enfin les résultats des premiers tirs de champ magnétique effectués dans le vide, ainsi que la sensibilité du dispositif, et les améliorations qui doivent y être apportées. En complément de cette expérience, nous faisons une excursion hors du Modèle Standard et étudions la possibilité d'oscillations, sous champ magnétique, de photons en particules massives : les axions. Nous présentons en particulier les résultats de l'expérience du " mur brillant " réalisée avec des rayons X à l'ESRF de Grenoble.

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Diniz, Igor. "Quantum electrodynamics in superconducting artificial atoms." Thesis, Grenoble, 2012. http://www.theses.fr/2012GRENY048/document.

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Abstract:

This thesis focuses on two problems in circuit quantum electrodynamics. We first investigate theoretically the coupling of a resonator to a continuous distribution of inhomogeneously broadened emitters. Studying this formalism is strongly motivated by recent proposals to use collections of emitters as quantum memories for individual excitations. Such systems benefit from the collective enhancement of the interaction strength, while keeping the relaxation properties of a single emitter. We discuss the influence of the emitters inhomogeneous broadening on the existence and on the coherence properties of the polaritonic peaks. We find that their coherence depends crucially on the shape of the distribution and not only on its width. Taking into account the inhomogeneous broadening allows to simulate with a great accuracy a number of pioneer experimental results on a ensemble of NV centers. The modeling is shown to be a powerful tool to obtain the properties of the spin ensembles coupled to a resonator. We also suggest an original Josephson qubit readout method based on a dc-SQUID with high loop inductance. This system supports a diamond-shape artificial atom where we define logical and ancilla qubits coupled through a cross-Kerr like term. Depending on the logical qubit state, the ancilla is resonantly or dispersively coupled to the resonator, leading to a large contrast in the transmitted microwave signal amplitude. Simulations show that this original method can be faster and have higher fidelity than methods currently used in circuit QED
Cette thèse porte sur deux problèmes théoriques d'électrodynamique quantique en circuits supraconducteurs. Nous avons d'abord étudié les conditions d'obtention du couplage fort entre un résonateur et une distribution continue d'émetteurs élargie de façon inhomogène. Le développement de ce formalisme est fortement motivé par les récentes propositions d'utiliser des ensembles de degrés de liberté microscopiques pour réaliser des mémoires quantiques. En effet, ces systèmes bénéficient du couplage collectif au résonateur, tout en conservant les propriétés de relaxation d'un seul émetteur. Nous discutons l'influence de l'élargissement inhomogène sur l'existence et les propriétés de cohérence des pics polaritoniques obtenus dans le régime de couplage fort. Nous constatons que leur cohérence dépend de façon critique de la forme de la distribution et pas uniquement de sa largeur. En tenant compte de l'élargissement inhomogène, nous avons pu simuler avec une grande précision de nombreux résultats expérimentaux pionniers sur un ensemble de centres NV. La modélisation s'est révélée un outil puissant pour obtenir les propriétés des ensembles de spins couplés à un résonateur. Nous proposons également une méthode originale de mesure de l'état de qubits Josephson fondée sur un SQUID DC avec une inductance de boucle élevée. Ce système est décrit par un atome artificiel avec des niveaux d'énergie en forme de diamant où nous définissons les qubits logique et ancilla couplés entre eux par un terme Kerr croisé. En fonction de l'état du qubit logique, l'ancilla est couplée de manière résonante ou dispersive au résonateur, ce qui provoque un contraste important dans l'amplitude du signal micro-onde transmis par le résonateur. Les simulations montrent que cette méthode originale peut être plus rapide et peut aussi avoir une plus grande fidélité que les méthodes actuellement utilisées dans la communauté des circuits supraconducteurs

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Long, Romain. "Couplage d'une microsphère accordable et d'une "puce à atomes" : vers des expériences "intégrées" d'électrodynamique quantique en cavité optique." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2003. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00006175.

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Abstract:

Ce mémoire de thèse porte sur le couplage d'une cavité microsphère accordable avec des atomes piégés magnétiquement par une « puce à atomes ».

Pour réaliser une interaction atome-champ contrôlée, il est nécessaire de rendre la microsphère accordable. Par l'application d'une contrainte mécanique sur la sphère, nous avons pu accorder un mode de galerie sur 400 GHz. De plus, en miniaturisant le
dispositif de couplage, nous pouvons exciter un mode de la sphère dans une chambre ultra-vide, où les atomes froids sont manipulés.

D'autre part, une puce multi-couches nous permet de réaliser un convoyeur magnétique, transportant les atomes entre une zone de chargement du piège et la cavité, soit sur une distance de 6 cm à une vitesse de 10 cm/s. En effectuant 2 allers-retours,
les atomes ont parcouru une distance totale de 24 cm. Ce transport d'atomes piégés nous permet de résoudre l'un des principaux problèmes du couplage d'atomes froids
avec les modes d'une microsphère.

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Palacios-Laloy, Agustin. "Bits quantiques supraconducteurs et résonateurs : test de l'intégralité de Legget-Garg et lecture en un coup." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00815078.

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Abstract:

Cette thèse présente un ensemble d'expériences de QED en circuit (cQED), dans lesquelles des atomes artificiels basés sur des circuits supraconducteurs sont couplés au champ électromagnétique d'un résonateur micro-ondes. Ce résonateur agit comme appareil de mesure pour l'atome, permettant d'illustrer des aspects fondamentaux de la physique quantique et de développer des briques de base pour un processeur quantique. Dans une première expérience nous suivons continuement l'évolution de l'atome tout en variant l'intensité de la mesure. Nous observons la transition du régime de mesure faible à celui de mesure forte, puis le gel de la dynamique du a l'effet Zénon quantique. Dans le régime de mesure faible nous testons si l'atome artificiel est en accord avec les hypothèses du réalisme macroscopique, à partir desquelles Leggett et Garg ont déduit une inégalité de Bell en temps. La violation de cette inégalité confirme que l'atome artificiel, bien que macroscopique, est un objet quantique. En ce qui concerne l'information quantique, nous avons enrichi l'architecture cQED en démontrant un système de lecture haute fidélité en un coup pour le qubit, un élément crucial pour un processeur quantique. Notre circuit utilise la transition dynamique d'un résonateur non-linéaire. Le système couplé formé par le qubit et le résonateur non linéaire permet en plus d'étudier l'interaction entre couplage fort et effets non linéaires -amplification paramétrique, sqeezing- ouvrant un nouveau sujet : le cQED non linéaire. Finalement, nous avons mis au point un circuit qui servirait d'intermédiaire pour que deux qubits arbitraires interagissent : un résonateur micro-ondes a fréquence accordable.

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Passerat, de Silans Thierry. "Interaction atome-surface : Interaction de Van der Waals entre un atome exité et une surface diélectrique thermiquement émissive : Oscillations de Bloch pour un atome adsorbé." Paris 13, 2009. http://scbd-sto.univ-paris13.fr/secure/edgalilee_th_2009_passerat_de_silans.pdf.

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Abstract:

Dans cette thèse nous avons étudié différents aspects de l’interaction entre un atome et une surface diélectrique. Nous avons notamment recherché expérimentalement des situations où l’interaction de van der Waals à longue portée varie avec la population thermique de photons du vide, telle qu’imposée par un équilibre avec l’environnement. Une variation avec la température est prévue lorsqu’il y a un couplage virtuel résonnant en champ proche entre l’émission thermique de la surface (dans l’IR) et une absorption atomique. Notre recherche a porté sur l’interaction entre Cs(8P) et une surface de CaF2 en utilisant la spectroscopie de réflexion sélective. Jusqu’à présent, les valeurs expérimentales du coefficient C3 de l’interaction de van der Waals sont en contradiction avec les prédictions théoriques. Nous avons pourtant raffiné les prédictions théoriques en introduisant dans les calculs la dépendance en température de la constante diélectrique, à partir de nouvelles mesures de la réflectance sur des surfaces de saphir, CaF2 et BaF2 effectués à différentes températures. Nous avons, en outre, observé, sur une expérience auxiliaire d’absorption saturée, des raies inédites autour de la transition 6S1/2→8P, que nous avons attribuées à des dimères spécifiquement formés par nos faisceaux lasers. Ces raies apparaissent pour des densités de vapeur inhabituellement faibles. A un régime de plus faible distance de l’interaction atome-surface, où le potentiel combine attraction van der Waals et répulsion au voisinage immédiat de la surface, nous avons analysé la possibilité d’observer des oscillations de Bloch, en considérant le cas d’un atome d’Helium adsorbé sur une surface de LiF et soumis à une force externe
In this thesis we have studied different aspects of the interaction between an atom and a dielectric surface. We have experimentally searched situations where the long range van der Waals interaction changes with the vacuum temperature as governed by its surrounding environnement. Such a situation occurs when the thermal surface emission resonantly couples in the near field to an atomic absorption. Our research deals with the interaction between a Cs(8P) atom and a CaF2 surface, and was performed through selective reflection spectroscopy. Until now, experimental values for C3 coefficient of the van der Waals interaction are in contradiction with the theoretical predictions. We have nevertheless refined our theoretical predictions by introducing in the calculations the temperature evolution of the dielectric constant, as obtained from new temperature dependent measurements of the surface reflectivity for CaF2, BaF2 and sapphire. We have also observed, in an auxiliary saturated absorption experiment, new lines around the 6S1/2→8P transitions, that we have attributed to dimers specifically formed by our lasers beams. Such lines appear for unusually low vapour densities. At a shorter distance range of atom-surface interaction, where the interaction potential combines van der Waals attraction and repulsion in the immediate vicinity of the surface, we have analysed the possibility of observing Bloch oscillations, on the basis of calculations for a He atom adsorbed on a LiF surface and submitted to an external force

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Chervy, Thibault. "Strong coupling regime of cavity quantum electrodynamics and its consequences on molecules and materials." Thesis, Strasbourg, 2017. http://www.theses.fr/2017STRAF033/document.

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Abstract:

Cette thèse présente une étude exploratoire de plusieurs aspects du couplage fort lumière-matière dans des matériaux moléculaires. Différentes propriétés héritées d’un tel couplage sont démontrées, ouvrant de nombreuses possibilités d’applications, allant du transfert d’énergie à la génération de signaux optiques non-linéaires et à l’élaboration de réseaux polaritoniques chiraux. Au travers des thématiques abordées, l’idée d’un couplage lumière-matière entrant en compétition avec les différentes fréquences de dissipation des molécules se révèle être cruciale. Ainsi, la prédominance du couplage cohérent au champ électromagnétique apparaît comme un moyen de modifier les propriétés quantiques des états moléculaires, ouvrant la voie à une nouvelle chimie des matériaux en cavité
This thesis presents an exploratory study of several aspects of strong light-matter coupling in molecular materials. Different properties inherited from such a coupling are demonstrated, opening the way to numerous applications, ranging from energy transfer to the generation of non-linear optical signals and to the development of chiral polaritonic networks. Through the topics covered, the idea of a light-matter coupling strength competing with the different frequencies of relaxation of the molecules proves to be crucial. Thus, the predominance of the coherent coupling to the electromagnetic field appears as a new mean of modifying the quantum properties of molecular systems, opening the way to a new chemistry of materials in optical cavities

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Auffeves, Alexia. "Oscillation de Rabi à la frontière classique-quantique et génération de chats de Schrödinger." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00006406.

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Abstract:

La production et l'étude de la décohérence
de superpositions mésoscopiques d'états, communéments
appelés "Chats de Schrödinger", est l'un des enjeux
majeurs de l'Electrodynamique Quantique en Cavité. Dans ce
mémoire nous présentons une nouvelle technique pour
générer des superpositions mésoscopiques d'états du champ
électromagnétique dans le mode d'une cavité supraconductrice
de grand facteur de qualité. Nous observons qu'un atome de
Rydberg interagissant de façon résonnante avec un champ
cohérent contenant quelques dizaines de photons scinde celui-ci
en deux composantes de phases opposées +/-phi où phi
est inversement proportionnel à la racine du nombre de photons.
Les phases du champ et du dipôle atomique sont intriquées.
L'objet microscopique qu'est l'atome laisse ainsi son empreinte
sur l'objet mésoscopique qu'est le champ. Cet effet, dû à la
granularité du champ, disparaît à la limite classique. Nous
avons vérifié la corrélation entre la phase atomique et la
phase du champ, puis préparé une superposition de deux champs
cohérents de phases opposées. Nous avons analysé la
distribution de phase du champ par une technique de détection
homodyne. Nous avons ensuite estimé la cohérence des
superpositions réalisées. La distance des chats préparés
par cette technique est de l'ordre de 20 photons. Tester la
non-localité de la Mécanique Quantique constitue également
une motivation de nos expériences. On présente une étude
théorique et numérique de violation des inégalités de Bell
avec des états cohérents intriqués préparés dans les
modes de deux cavités distinctes.

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Amini, Hadis. "Stabilisation des systèmes quantiques à temps discrets et stabilité des filtres quantiques à temps continus." Phd thesis, Ecole Nationale Supérieure des Mines de Paris, 2012. http://pastel.archives-ouvertes.fr/pastel-00803170.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous étudions des rétroactions visant à stabiliser des systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures quantiques non-destructives (QND), ainsi que la stabilité des filtres quantiques à temps continu. Cette thèse comporte deux parties. Dans une première partie, nous généralisons les méthodes mathématiques sous-jacentes à une rétroaction quantique en temps discret testée expérimentalement au Laboratoire Kastler Brossel (LKB) de l'École Normale Supérieure (ENS) de Paris. Plus précisément,nous contribuons à un algorithme de contrôle qui a été utilisé lors de cette expérience récente de rétroaction quantique. L'expérience consiste en la préparation et la stabilisation à la demande d'états nombres de photons (états de Fock) d'un champ de micro-ondes au sein d'une cavité supraconductrice. Pour cela, nous concevons des filtres à temps-réel permettant d'estimer les états quantiques malgré des imperfections et des retards de mesure, et nous proposons une loi de rétroaction assurant la stabilisation d'un état cible prédéterminé. Cette rétroaction de stabilisation est obtenue grâce à des méthodes Lyapunov stochastique et elle repose sur un filtre estimant l'état quantique. Nous prouvons qu'une telle stratégie de contrôle se généralise à d'autres systèmes quantiques en temps discret soumis à des mesures QND. Dans une seconde partie, nous considérons une extension du résultat obtenu pour des filtres quantiques en temps discret au cas des filtres en temps continu. Dans ce but, nous démontrons la stabilité d'un filtre quantique associé à l'équation maîtresse stochastique usuelle découlant par un processus de Wiener. La stabilité signifie ici que la "distance"entre l'état physique et le filtre quantique associé décroit en moyenne. Cette partie étudie également la conception d'un filtre optimal en temps continu en présence d'imperfections de mesure. Pour ce faire, nous étendons la méthode utilisée précédemment pour construire les filtres quantiques en temps discret tolérants aux imperfections de mesure. Enfin,nous obtenons heuristiquement des filtres optimaux généraux en temps continu, dont la dynamique est décrite par des équations maîtresses stochastiques découlant à la fois par processus de Poisson et Wiener. Nous conjecturons que ces filtres optimaux sont stables.

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Gehr, Roger. "Détection non-destructive et de haute fidelité d'atomes uniques à l'aide d'un résonateur sur une puce à atomes." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00593418.

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Abstract:

Dans ce mémoire, nous démontrons la préparation et la détection d'atomes uniques sur une puce à atomes intégrant un résonateur optique de haute finesse. L'atome est extrait d'un condensat de Bose-Einstein et piégé à une position de couplage maximum au résonateur. Nous mesurons le spectre du système atome-cavité et démontrons qu'il se situe dans le régime de couplage fort. Ceci nous permet d'utiliser la transmission et la réflexion du résonateur pour déduire l'état hyperfin de l'atome. Nous obtenons une fidélité de détection de 99.93% avec un temps de détection de 100 microsecondes. L'atome reste piégé pendant la détection. Ces caractéristiques sont comparables à celles obtenues ans les expériences avec des ions piégés. Nous mesurons également le taux de diffusion de photons pendant la détection, et démontrons que nous détectons l'état interne de l'atome avec une erreur inférieure à 10% en diffusant en moyenne moins de 0.2. Pour conclure la caractérisation du processus de détection, nous analysons la projection de l'état atomique due à la mesure en effectuant une expérience de type Zeno quantique. Nous démontrons que chaque photon incident sur la cavité réduit la cohérence de l'état atomique d'un facteur 0.7. La détection présentée est donc proche d'une mesure projective idéale pour un système quantique à deux niveaux.

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Métillon, Valentin. "Tomographie par trajectoires d'états délocalisés du champ micro-onde de deux cavités." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019PSLEE051.

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Abstract:

La reconstruction d'états quantiques, ou tomographie, joue un rôle central dans les technologies quantiques, afin de caractériser les opérations effectuées et d'extraire de l'information sur les états résultats de traitements d'information quantique. Les méthodes répandues de tomographie reposent généralement sur des mesures idéales, effectuées une seule fois sur chaque préparation de l'état d'intérêt. Dans ce travail, nous utilisons une nouvelle méthode, appelée tomographie par trajectoires, qui consiste à enregistrer, pour chaque réalisation de l'état, la trajectoire quantique suivie par le système à l'aide d'une série de mesures successives du système, en présence d'imperfections expérimentales et de décohérence. On extrait alors plus d'information sur l'état à reconstruire et on est capable, à partir d'un ensemble de mesures accessibles données, de créer des mesures plus générales. À l'aide des techniques de l'électrodynamique quantique en cavité, nous avons préparé des états intriqués de photons micro-onde délocalisés sur deux modes distants. Nous avons ensuite reconstruit ces états par tomographie par trajectoires, dans un espace de Hilbert de grande dimension. Nous montrons que cette méthode permet de reconstruire l'état, de développer des stratégies de mesure adaptées pour accélérer l'extraction d'information sur les cohérences quantiques d'intérêt et qu'elle fournit une estimation de l'incertitude sur les coefficients de la matrice densité reconstruite
Quantum state estimation, or tomography, is a key component of quantum technologies, allowing to characterise quantum operations and to extract information on the results of quantum information processes. The usual tomography techniques rely on ideal, single-shot measurements of the unknown state. In this work, we use a new approach, called trajectory quantum tomography, where the quantum trajectory of each realization of the state is recorded through a series of measurements, including experimental imperfections and decoherence. This strategy increases the extracted amount of information and allows to build new measurements for a set of feasible measurements.Using the tools of cavity quantum eletrodynamics, we have prepared entangled states of microwave photons spread on two separated modes. We have then performed a trajectory tomography of these states, in a large Hilbert space. We have proved that this method allows to estimate the state, to develop faster strategies for extracting information on specific coherences of the state and to compute error bars on the components of the estimated density matrix

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Meunier, Tristan. "Oscillations de Rabi induites par un renversement du temps : un test de la cohérence d'une superposition quantique mésoscopique." Phd thesis, Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2004. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00011329.

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Abstract:

L'électrodynamique en cavité étudie un atome interagissant avec un mode du champ. A résonance avec un champ cohérent mésoscopique (oscillation de Rabi quantique), l'atome modifie profondément le champ. Il s'intrique avec deux états de même amplitude, de phases différentes, créant une superposition quantique mésoscopique et donnant lieu aux effondrements et résurgences des oscillations de Rabi.
Nous présentons une étude expérimentale de cette intrication avec un atome de Rydberg circulaire et une cavité micro-onde supraconductrice. Pour sonder le champ, nous avons développé une mesure de la fonction ‘Q', appliquée à différents états : état à un photon, état cohérent. Nous avons ainsi mesuré la distance entre les composantes de phase produites par l'oscillation de Rabi. Cette mesure, au contraire de l'observation des résurgences, ne prouve pas la cohérence de la superposition. Nous avons donc induit ces résurgences par une transformation de l'état atomique, se ramenant à un renversement du temps, et obtenu ainsi une preuve de la création de superpositions quantiques mésoscopiques.

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Aiello, Gianluca. "Quantum dynamics of a high impedance microwave cavity strongly coupled to a Josephson junction." Thesis, université Paris-Saclay, 2020. http://www.theses.fr/2020UPASP089.

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Abstract:

Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés et la dynamique d'une cavité micro-onde à haute impédance couplée galvaniquement à une jonction Josephson polarisée en tension. La cavité est réalisée en aluminium granulaire, un supraconducteur désordonné à haute inductance cinétique, qui nous a permis d'obtenir des modes avec un facteur de qualité élevé (jusqu'à 30 000) et une grande impédance caractéristique allant jusqu'à 5 kOhm dans la gamme du GHz. L'occupation et les propriétés des modes de la cavité sont fortement influencées par les processus tunnel se produisant dans la jonction connectée à la cavité. Comme l'impédance caractéristique des modes est comparable au quantum de résistance, des processus non linéaires d'ordre élevé sont observés. À basse tension par rapport au gap supraconducteur de la jonction, le processus dominant est le passage tunnel inélastique des paires de Cooper, qui peuple les différents modes de la cavité. Nous mesurons directement l'émission de photons dans un mode à 6 GHz et observons plus de 70 pics d'émission en fonction de la tension de polarisation, une signature claire de la non-linéarité élevée. Aux tensions plus élevées proches du gap, le tunneling des quasi-particules domine. Ce processus dissipatif modifie à la fois la fréquence de résonance et la largeur des modes. Un traitement quantique de ce processus dissipatif en termes de décalage de Lamb et de sauts quantiques est nécessaire pour expliquer quantitativement nos mesures. Ces résultats montrent le potentiel de l'aluminium granulaire pour réaliser des expériences d'optique quantique dans un régime où le transport de charge et les photons micro-ondes sont fortement couplés
The purpose of this thesis is to investigate the properties and the dynamics of a high impedance microwave cavity galvanically coupled to a DC biased Josephson junction. The cavity is realized in granular Aluminum, a disordered superconductor with high kinetic inductance, which allowed us to obtain modes with a high quality factor (up to 30000) and a large characteristic impedance up to 5 kOhm in the GHz range. The occupation and the properties of the cavity modes are strongly affected by the charge tunneling processes occurring in the junction connected to the cavity. Because the characteristic impedance of the modes is comparable to the quantum of resistance, high order non-linear processes are observed. At low voltages compared to the superconducting gap of the junction, the dominant process is the inelastic tunneling of Cooper pairs, which populates the different cavity modes. We directly measure the photon emission in one mode at 6 GHz and observe more than 70 emission peaks as a function of bias voltage, a clear signature of the high non-linearity. At larger voltages close to the gap, quasiparticle tunneling dominates. This dissipative process modifies both the resonance frequency and the linewidth of the modes. A quantum treatment of this dissipative process in terms of Lamb shift and quantum jumps is required to quantitatively explain our measurements. These results show the potential of granular Aluminum to realize microwave quantum optics experiments in a regime where charge transport and microwave photons are strongly coupled

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Janvier, Camille. "Coherent manipulation of Andreev Bound States in an atomic contact." Thesis, Université Paris-Saclay (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016SACLS217/document.

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Abstract:

Des états électroniques localisés apparaissent dans les liens faibles entre électrodes supraconductrices : les états d’Andreev. Les expériences présentées dans cette thèse explorent les propriétés de cohérence quantique de ces états, en utilisant comme liens faibles des contacts à un atome entre des électrodes d’aluminium. Les contacts atomiques sont intégrés dans une cavité microonde qui permet à la fois de les isoler et de les sonder.Dans une première série d’expériences, il est montré qu’on peut utiliser les états d’Andreev pour définir un bit quantique, le « qubit d’Andreev », qu’on contrôle à l’aide d’impulsions micro-onde.Les mesures des temps de vie de cohérence de ce qubit sont analysées en détail.Dans une deuxième série d’expérience,l’interaction entre le qubit d’Andreev et le résonateur micro-onde est utilisée pour quantifier le nombre de photons présents dans le résonateur en fonction de la puissance d’impulsions microonde à sa fréquence propre.Enfin, des sauts quantiques et des sauts de parités ont observés dans des mesures continues de l’état du qubit d’Andreev
Localized electronic states, called Andreev bound states, appear in weak-links placed between superconducting electrodes. The experiments presented in this thesis explore the coherence properties of these states. Single atom contacts between aluminum electrodes are used as weak links. In order to isolate and probe these states, the atomic contacts are integrated in amicrowave cavity.In a first series of experiments, it is shown that Andreev states can be used to define a quantumbit, “the Andreev qubit”, which is controlled using microwave pulses.Measurements of the lifetime and coherence time of this qubit are thoroughly analyzed.In a second series of experiments, the interaction between the Andreev qubit and the microwave cavity are used to determine the number of photons present in the cavity as a function of the power of microwave pulses at its eigenfrequency.Finally, quantum and parity jumps are observed in continuous measurements of the state of the Andreev dot

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Assémat, Frédéric. "Manipulation d'états quantiques de la lumière par l'intermédiaire d'un atome de Rydberg unique." Thesis, Sorbonne université, 2019. http://www.theses.fr/2019SORUS016.

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Abstract:

La manipulation d’états non-classiques suscite depuis quelques années un engouement important de la part de la communauté scientifique. Que ce soit sur un plan fondamental ou en vue de potentielles applications par exemple dans les domaines de la métrologie, de la communication, ou de l’information quantique, il est essentiel de préparer des systèmes quantiques dans des états non-classiques et de contrôler leur évolution. Le champ de l’électrodynamique quantique en cavité apparaît comme un cadre expérimental idéal pour étudier l’ingénierie de tels états de la lumière. Il repose sur le couplage fort entre un système à deux niveaux d’une part et un mode du champ électromagnétique d’autre part. Cette thèse présente une nouvelle expérience d’électrodynamique quantique en cavité combinant un jet d’atomes lents préparés dans des états de Rydberg dits « circulaires » et le mode électromagnétique d’une cavité supraconductrice. Ce nouveau dispositif permet une augmentation considérable du temps d’interaction entre l’atome et le champ. Nous présentons dans ce manuscrit les premiers résultats expérimentaux qui en découlent. Premièrement, en exploitant le régime d’interaction résonant entre l’atome et le champ nous avons pu générer un état superposé de type chat de Schrödinger que nous avons caractérisé par ses oscillations de Rabi. Deuxièmement, en se plaçant dans le régime d’interaction dispersif, le long temps d’interaction permet de résoudre le spectre des états habillés du système pour des états du champ contenant jusqu’à 8 photons. Cette résolution a alors pu être exploitée afin de générer des états quantiques du champ comme une superposition de 0 et de 2 photons
The manipulation of non-classical states is of great interest both from a fundamental perspective but also for their potential applications in domains such as quantum information, quantum communication or metrology. It is then essential to be able to prepare quantum systems in such states and control their evolution. The field of cavity quantum electrodynamics is very well suited to study non-classical states of light. It relies on the strong coupling of a two-level system on one side and one mode of the electromagnetic field on the other side. This thesis introduces a new experiment of cavity quantum electrodynamics combining a beam of slow atoms prepared in Rydberg circular states and the electromagnetic mode of a superconducting cavity. This new set-up allows us to improve significantly the interaction time between the atom and the field. Thanks to this, we obtained our first experimental results that we are presenting in this manuscript. Firstly, we use the resonant interaction between the atom and the field to generate a Schrödinger cat state, superposition of two coherent field of opposite phases. This field is then characterized thanks to its Rabi oscillation signal. Secondly, we make use of the long interaction time in the dispersive regime to achieve a resolution of the dressed state spectrum of the system up to 8 photons. Thanks to this resolution we were finally able to engineer quantum states such as the superposition of 0 and 2 photons

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Contamin, Lauriane. "Mise en évidence de textures de spin synthétiques par des mesures de transport et de champ microonde." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2019. http://www.theses.fr/2019PSLEE020.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous avons étudié des nanocircuits à base de nanotubes de carbone intégrées dans une cavité micro-onde. Notre dispositif permet de réaliser simultanément des mesures de transport et des mesures micro-ondes, qui donnent des informations complémentaires sur le nanocircuit. Dans les deux expériences réalisées durant cette thèse, un nanotube de carbone est placé au-dessus d’un matériau magnétique qui présente plusieurs domaines d’aimantation. L’axe du champ magnétique de fuite résultant oscille le long du nanotube. Pour les électrons confinés, il est équivalent à un couplage spin-orbite synthétique et à un effet Zeeman. Cet effet synthétique est mis en évidence de deux manières. Dans une première expérience, nous avons mesuré l’évolution des niveaux d’énergie de la boîte quantique quand le matériau magnétique est progressivement aimanté par un champ extérieur, ce qui détruit le champ oscillant. Dans cette expérience, le nanotube a un très bon contact avec un métal supraconducteur en supplément des effets spin-orbite et Zeeman synthétique, qui sont les prérequis pour obtenir des quasiparticules de Majorana dans un nanoconducteur 1D. De telles quasiparticules sont activement recherchées pour leur utilisation pour le calcul quantique. Dans un second temps, nous avons réalisé une double boîte quantique, dans laquelle chaque boîte est constituée d’un segment de nanotube, situé au-dessus du même champ magnétique oscillant que dans la première expérience. Les transitions internes de ce système sont mesurées à l’aide de la cavité micro-onde. Nous avons mis en évidence une très forte dispersion de l’énergie de la transition interne avec un faible champ magnétique extérieur, qui peut être expliqué par un effet Zeeman pour lequel le facteur de Landé, g, a été fortement renormalisé par l’interaction spin-orbite synthétique
In this thesis, we have studied carbon nanotube-based nanocircuits integrated in a microwave cavity architecture. Our device is compatible with the simultaneous measurement of both the current through the nanocircuit and the frequency shift of the cavity. These two signals give complementary information about the device. In the two experiments presented in this thesis, the carbon nanotube was positioned above a magnetic material containing several magnetization domains. The resulting magnetic stray field’s axis oscillates along the carbon nanotube length. For the confined electrons, this is equivalent to both a synthetic spin-orbit interaction and a Zeeman effect. This synthetic effect is evidenced in two ways. In a first experiment, we have measured the evolution of the nanotube’s energy levels when the magnetic material is progressively magnetized by an external magnetic field, thus destroying the oscillations of the stray field. In this experiment, the carbon nanotube had a very transparent contact to a superconducting metal, in addition to the synthetic spin-orbit interaction and Zeeman effect. These ingredients are a pre-requisite to observe Majorana quasiparticles in a one-dimensional nanoconductor. Those quasiparticles are under intense study for their potential use in quantum computing. In the second experiment, we have realized a double quantum dot in which each dot similarly lays above an oscillating magnetic field. The internal transitions of this DQD are measured with the microwave cavity signal. We evidenced a strong dispersion of the energy of the double quantum dots’ internal transitions with a small external magnetic field. This dispersion can be explained by a Zeeman effect in which the Landé factor, g, has been strongly renormalized by the synthetic spin-orbit interaction

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Flottat, Thibaut. "Bosons couplés à des spins 1/2 sur réseau." Thesis, Université Côte d'Azur (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016AZUR4080/document.

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Abstract:

Les systèmes fortement corrélés, pouvant adopter des phases surprenantes de la matière, émergent dans le domaine des atomes ultra-froids ou dans celui de l’électrodynamique quantique en cavité (CQED). Ceux-ci sont au centre d’intenses travaux expérimentaux et théoriques. Dans cette thèse, nous présentons une étude de deux modèles de bosons avec deux ou zéro états internes. Ceux-ci peuvent se déplacer sur un réseau, et sont localement couplés avec des spins 1/2. Notre intérêt réside dans la détermination du diagramme de phase de l’état fondamental de ces systèmes ainsi que de l’étude des propriétés de phase et des transitions entre ces dernières. Nous avons utilisé deux outils : une approximation de champ moyen et des simulations de Monte-Carlo quantique, qui fournit des résultats numériquement exacts. Le premier modèle, appelé modèle de Kondo bosonique sur réseau, s’inscrit dans le contexte des atomes ultra-froids sur réseau. Nous trouvons que sa physique est proche de celle du modèle de Bose-Hubbard, présentant des phases de Mott et superfluide. Le couplage local renforce le caractère isolant et on observe l’émergence de phases magnétiques au travers de couplage direct ou indirect entre bosons et/ou spins. Les effets thermiques, inhérents à tout dispositif expériemental, sont aussi étudiés. Le second modèle s’inscrit dans le domaine de la CQED sur réseau, décrit un régime de couplage ultra-fort entre des photons et des atomes, et est appelé modèle de Rabi sur réseau. Le diagramme de phase présente juste deux phases : une phase cohérente dans laquelle les spins locaux s’ordonnent ferromagnétiquement ainsi qu’une phase incohérente compressible paramagnétique
Strongly correlated systems, where new surprising phases of matter may appear both in the context of ultra-cold atoms and cavity quantum electrodynamics, are the focus of intense experimental and theoritical activity. In this thesis we present a study of two models of bosons with two or zero internal states, that is to say spin-1/2 or spin-0 bosons. These particles can move around a lattice, and they are locally coupled to immobile spins 1/2. Our interest was to determine the ground state phase diagram, study phase properties and quantum phase transitions. We used two methods: an approximate one using a mean field approach and the other using quantum Monte-Carlo simulations, which provides numerically exact results. The first model, namely the bosonic Kondo lattice model, is in the context of ultra-cold atoms in optical lattices. We found that its physics is close to that of the Bose-Hubbard model, exhibiting Mott and superfluid phases. The local coupling strengthens the insulating behaviour of the system and magnetism emerges through indirect or direct coupling between bosons. Thermal effects, inherent in experiments, are also studied. The second model, which is in the context of light-matter interaction, describes a situation of an ultra-strong coupling between spin-0 bosons (photons) and local spins 1/2 (two levels atoms) and is known as the Rabi lattice model. The phase diagram generally consists of only two phases: a coherent phase and a compressible incoherent one. The locals

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Desjardins, Matthieu. "Exploring quantum circuits with a cQed architecture : application to compressibility measurements." Thesis, Paris Sciences et Lettres (ComUE), 2016. http://www.theses.fr/2016PSLEE044/document.

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Abstract:

Les circuits électroniques mesurés à des températures cryogéniques permettent d'étudier le comportement quantique des électrons. En particulier, les circuits de boites quantiques sont des systèmes accordables modèles pour l'étude des électrons fortement corrélés, symbolisée par l'effet Kondo. Dans cette thèse, des circuits de boîtes quantiques à base de nanotube de carbone sont intégrés à des cavités micro-onde coplanaires, avec lesquelles l'électrodynamique quantique en cavité (cQED) a atteint un degré de contrôle remarquable de l'interaction lumière-matière. Les photons de la cavité micro-onde sont ici utilisés pour sonder la dynamique de charge dans le circuit de boîtes quantiques. Plus précisément, la cavité micro-onde de grande finesse nous a permis de mesurer la compressibilité du gas d'électrons dans une boîte avec une sensibilité sans précédent. Des mesures simultanées de transport électronique et de la compressibilité montrent que la résonance Kondo observées dans la conductance est transparente aux photons micro-ondes. Cela révèle le gel de la dynamique de charge dans la boîte quantique pour ce mécanisme particulier de transport d'électrons et illustre que la résonance Kondo à N-corps dans la conductance est associée aux corrélations issues des fluctuations de spin d'une charge gelée. Nous étudions aussi dans cette thèse la possible émergence d'une nouvelle quasi-particule, appelée état lié de Majorana, et qui serait sa propre anti-particule. Dans ce but, une grille ferromagnétique a été placée sous le nanotube pour créer un couplage spin-orbit artificiel. L'observation d'états d'Andreev dans un tel dispositif est un premier pas prometteur vers la détection avec une architecture cQED d'états liés de Majorana dans les nanotubes de carbone
On-chip electronic circuits at cryogenic temperature are instrumental to studying the quantum behavior of electrons. In particular, quantum dot circuits represent tunable model systems for the study of strong electronic correlations, epitomized by the Kondo effect. In this thesis, carbon nanotube based-quantum dot circuits are embedded in coplanar microwave cavities, with which circuit quantum electrodynamics (cQED) has reached a high degree of control of the light-matter interaction. Here, microwave cavity photons are used to probe the charge dynamics in the quantum dot circuit. More precisely, the high finesse cavity allows us to measure the compressibility of the electron gas in the dot with an unprecedented sensitivity. Simultaneous measurements of electronic transport and compressibility show that the Kondo resonance observed in the conductance is transparent to microwave photons. This reveals the predicted frozen charge dynamics in the quantum dot for this peculiar electron transport mechanism and illustrates that the many-body Kondo resonance in the conductance is associated to correlations arising from spin fluctuations of a frozen charge. A second quantum phenomenon addressed in this thesis is the possible emergence of a new quasi-particle in condensed matter, called Majorana bound state, which would be its own anti-particle. For that purpose, a ferromagnetic gate has been placed below a nanotube in order to generate a synthetic spin-orbit coupling. The observation of Andreev bound states in such a device is a first promising step towards the detection with a cQED architecture of Majorana bound states in a carbon nanotube

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Huard, Benjamin. "Quantum information with superconducting circuits." Habilitation à diriger des recherches, Ecole Normale Supérieure de Paris - ENS Paris, 2014. http://tel.archives-ouvertes.fr/tel-01011096.

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Abstract:

Ce mémoire présente ma contribution à l'avènement des circuits supraconducteurs comme composant de base des systèmes d'information quantique. Les variables macroscopiques des circuits électriques, telles que la tension et le courant, obéissent aux lois de la mécanique quantique tant qu'elles sont suffisamment découplées de leur environnement. Depuis que les premiers qubits supraconducteurs ont été réalisés il y a 15 ans, leurs temps de cohérence ont augmenté de 5 ordres de grandeur grâce à un meilleur contrôle de l'environnement électromagnétique des jonctions Josephson. Sur ces systèmes remarquables, nous avons réalisé des expériences qui illustrent quelques uns des aspects les plus non classiques de l'information quantique. - Les variables quantiques fluctuent même à température nulle. Ces fluctuations de point zéro imposent à un détecteur d'ajouter au moins un minimum de bruit. Nous explorons les limites quantiques de l'amplification pour des signaux microonde itinérants, et décrivons un circuit supraconducteur concret, le mixeur Josephson, capable d'atteindre cette limite. - Contrairement à l'information classique, l'information quantique peut être stockée de manière délocalisée dans l'espace grâce à l'intrication. Nous décrivons le premier circuit capable d'intriquer deux modes de champ microonde itinérants à différentes fréquences et sur des lignes de transmission séparées. Nous présentons aussi un dispositif capable de stocker un champ microonde intriqué avec un champ propageant. - La mesure d'un système quantique conduit à une réaction sur son état sans équivalent classique. Nous présentons une expérience où la trajectoire de l'état qubit est protégée de la décohérence par rétroaction basée sur la mesure. Cette expérience illustre le rôle central de la réaction d'une mesure quantique pour le contrôle par rétroaction et donc pour la correction quantique d'erreur. - Les mesures faibles fournissent une information partielle sur un système. Comme les mesures quantiques modifient l'état du système, les règles classiques de Bayes doivent être modifiées pour prédire la probabilité de trouver un résultat donné sachant qu'un certain résultat sera trouvé dans une autre mesure future. Nous décrivons une expérience où la fluorescence émise par un qubit est enregistrée dans le temps, ce qui peut être interprété comme une mesure faible et continue du qubit. L'influence de conditions sur les mesures passées et futures est explorée.

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Cubaynes, Tino. "Shaping the spectrum of carbon nanotube quantum dots with superconductivity and ferromagnetism for mesoscopic quantum electrodynamics." Thesis, Sorbonne université, 2018. http://www.theses.fr/2018SORUS195/document.

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Abstract:

Dans cette thèse, nous étudions des circuits de boîtes quantiques à base de nanotubes de carbone intégrés dans une cavité micro-onde. Cette architecture générale permet de sonder le circuit en utilisant simultanément des mesures de transport et des techniques propre au domaine de l’Electrodynamique quantique sur circuit. Les deux expériences réalisées durant cette thèse exploitent la capacité des métaux de contact à induire des corrélations de spins dans les boites quantiques. La première expérience est l’étude d’une lame s´séparatrice à paires de Cooper, initialement imaginée comme une source d’électrons intriqués. Le couplage du circuit aux photons dans la cavité permet de sonder la dynamique interne du circuit, et a permis d’observer des transitions de charge habillées par le processus de séparation des paires de Cooper. Le couplage fort entre une transition de charge dans un circuit de boîtes quantiques et des photons en cavité, a été observée pour la première fois dans ce circuit. Une nouvelle technique de fabrication a aussi été développé pour intégrer un nanotube de carbone cristallin au sein du circuit de boîtes quantiques. La pureté et l’accordabilité de cette nouvelle génération de circuit a rendu possible la seconde expérience. Cette dernière utilise deux vannes de spins non colinéaire aﬁn de produire une interface cohérente entre le spin d’un électron dans une double boite quantique, et un photon dans une cavité. Des transitions de spins très cohérentes ont été observée, et nous donnons un modèle sur l’origine de la décohérence du spin comprenant le bruit en charge et les ﬂuctuations des spins nucléaires
In this thesis, we study carbon nanotubes based quantum dot circuits embedded in a microwave cavity. This general architecture allows one to simultaneously probe the circuit via quantum transport measurements and using circuit quantum electrodynamics techniques. The two experiments realized in this thesis use metallic contacts of the circuit as a resource to engineer a spin sensitive spectrum in the quantum dots. The ﬁrst one is a Cooper pair splitter which was originally proposed as a source of non local entangled electrons. By using cavity photons as a probe of the circuit internal dynamics, we observed a charge transition dressed by coherent Cooper pair splitting. Strong charge-photon coupling in a quantum dot circuit was demonstrated for the ﬁrst time in such a circuit. A new fabrication technique has also been developed to integrate pristine carbon nanotubes inside quantum dot circuits. The purity and tunability of this new generation of devices has made possible the realization of the second experiment. In the latter, we uses two non-collinear spin-valves to create a coherent interface between an electronic spin in a double quantum dot and a photon in a cavity. Highly coherent spin transitions have been observed. We provide a model for the decoherence based on charge noise and nuclear spin ﬂuctuations

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Morellini, Umberto. "Quelques modèles non linéaires autour du vide de Dirac." Electronic Thesis or Diss., Université Paris sciences et lettres, 2024. http://www.theses.fr/2024UPSLD015.

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Abstract:

Cette thèse de doctorat est principalement consacrée à l'étude mathématique du vide de Dirac, potentiellement en présence d'un champ électromagnétique et d'électrons. Ce système est décrit à l'aide de modèles non linéaires issus d'approximations de champ moyen de l'électrodynamique quantique. Dans le Chapitre 2, on étudie la dynamique d'un nombre fini d'électrons relativistes interagissant avec un nombre fini de noyaux classiques dans la mer de Dirac, en prouvant que le problème de Cauchy correspondant est globalement bien posé. Dans le Chapitre 3, on fournit la première dérivation rigoureuse du lagrangien magnétique effectif à une boucle à température positive, une fonctionnelle non linéaire décrivant l'énergie libre du vide de Dirac dans un champ magnétique classique. Finalement, dans le Chapitre 4, on présente quelques résultats numériques concernant un modèle unidimensionnel décrivant un atome hydrogénoïde relativiste. En particulier, on propose une approche pour calculer la polarisation du vide ainsi que le décalage de Lamb dans une approximation de base finie
This doctoral thesis is mainly devoted to the mathematical study of the Dirac vacuum, potentially in presence of an electromagnetic field and a finite number of electrons. This system is described by means of non-linear models originating from mean-field approximations of quantum electrodynamics. In Chapter 2, we study the dynamics of a finite number of relativistic electrons interacting with finitely many classical nuclei in the Dirac sea, by proving a global well-posedness result for the corresponding Cauchy problem. In Chapter 3, we provide the first rigorous derivation of the one-loop effective magnetic Lagrangian at positive temperature, a non-linear functional describing the free energy of the Dirac vacuum in a classical magnetic field. Finally, in Chapter 4, we present some numerical results concerning a one-dimensional model describing a relativistic hydrogen-like atom. In particular, we present an approach to compute the vacuum polarisation as well as the Lamb shift in a finite basis set approximation

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Dissertations / Theses on the topic 'Électrodynamique quantique en cavité'

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