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Detailed view PhD thesis
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (15/12/1999), Haroche Serge (Dir.)
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Détection sans destruction d'un seul photon. Une expérience d'électrodynamique quantique en cavité.
Gilles Nogues1

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.
1:  LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel
NPSC
mesure quantique – mesure quantique non-destructive – optique quantique – électrodynamique quantique en cavité – atomes de Rydberg – cavité supraconductrice – interférométrie atomique

Usual measurements in optics destroy the incoming photons and
convert their energy into a measurable signal. However, this
destruction is not recquired by fundamental quantum laws and
quantum nondemolition strategies have been proposed. They allow
for repeated measurements of electromagnetic fields. In this work,
we observed, for the first time, a single photon stored in a
superconducting cavity without destroying it. In this experiment,
we use circular Rydberg atoms which are strongly coupled to the
field. During its interaction with the cavity mode, a single atom
is able to absorb and reemit a single photon. This phenomenon is
the well-known quantum Rabi oscillation. At the end this
absorption--emission cycle, the photon is still in the cavity.
However, the atom--field system keeps a track of its past
evolution in the phase of its wavefunction, which changed by 180°.
This phase-shift can be detected by atomic interferometry. We
performed experiments wich show that we can correlate the atomic
state to the field state, and that this process is
non-destructive. The performances of our setup are analyzed and
its possible applications to quantum optics are discussed.

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