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Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (13/05/2011), Jakob Reichel (Dir.)
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Détection non-destructive et de haute fidelité d'atomes uniques à l'aide d'un résonateur sur une puce à atomes
Roger Gehr1

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.
1:  LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel
puces à atomes – électrodynamique quantique en cavité – atome unique – détection – information quantique – condensat de Bose-Einstein

Cavity based high-fidelity and non-destructive single atom detection on an atom chip
In this thesis, we demonstrate the preparation and detection of single atoms on an atom chip. We prepare a single Rubidium atom strongly coupled to a high-finesse cavity integrated to the atom chip. The atom is extracted from a Bose-Einstein condensate and trapped at the maximum of the cavity field. The prepared system is reproducibly in the strong-coupling regime of cavity quantum electrodynamics, as shown by a measurement of the normal mode spectrum of the coupled system. We use the cavity reflection and transmission signal to infer the atomic hyperfine state with a fidelity exceeding 99.93% in a detection time of 100 microseconds. The atom remains trapped during the detection. This performance of the detector is comparable to the best ion-trap experiments and makes the detector suitable for error correcting schemes in the context of quantum information processing. Additionally, the cavity-based detection scheme greatly reduces scattering compared to optical detection schemes in free space. We measure the scattering rate during detection, and show that we are able to detect the atomic internal state with an error below 10% while scattering less than 0.2 photons on average. To finalize the characterization of the detection process, we analyze the projection of the atomic state due to the measurement by performing a quantum Zeno type experiment. We find that each photon incident on the cavity reduces the coherence of the atomic state by a factor of 0.7. The presented detection is close to the textbook example of a projective measurement of a two-level quantum system.
atom chip – cavity quantum electrodynamics – single atom – detection – quantum information – Bose-Einstein condensate