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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (28/09/2011), Michel Brune (Dir.)
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Préparation et stabilisation d'un champ non classique en cavité par rétroaction quantique
Clément Sayrin1

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.
1 :  LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel
CQED – rétroaction quantique – atomes de Rydberg – états de Fock – décohérence – mesure QND

Preparation and stabilisation of a non-classical field in cavity by quantum feedback
Feedback loops are central to most classical control procedures. A controller compares the signal measured by a sensor with the target value or set-point. It then adjusts an actuator to stabilize the signal around the target value. Generalizing this scheme to the quantum world must overcome a fundamental difficulty: the sensor measurement causes a random back-action on the system. In this manuscript, we demonstrate the first continuously operated quantum feedback loop. The system to be controlled is a mode of the electromagnetic field trapped in a very high finesse microwave Fabry-Perot cavity. Circular Rydberg atoms achieve a quantum non-demolition measurement of the photon number in the mode by the succession of weak measurements. Knowing the outcome of these measurements, and knowing all the experimental imperfections of the system, a classical computer estimates in real-time the density matrix of the field. It then calculates the amplitude of small classical microwave fields injected into the cavity in order to stabilize the field around a target state. In this thesis, we have been able to prepare on demand and stabilize Fock states containing from 1 to 4 photons.
CQED – quantum feedback – Rydberg atoms – Fock states – decoherence – QND measurement