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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (09/10/2002), Raimond Jean-Michel (Dir.)
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Atomes et Cavité : Complémentarité et Fonctions de Wigner
Patrice Bertet1

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.
1 :  LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel
complémentarité – intrication – gomme quantique – transition quantique/classique – atomes de Rydberg – cavitésupraconductrice – électrodynamique quantique en cavité – interféromètre de Ramsey – fonctions de Wigner – états non-classiques

The complementarity principle is a basic concept of quantum
mechanics. It predicts that, in an interferometry experiment, any attempt to
determine which path the particle chose between the two beamsplitters unavoidably
washes out the fringe pattern. In this work, we present an experiment illustrating
this principle in a Ramsey interferometer. One applies two microwave pulses to
circular Rydberg atoms, resonant with an atomic transition, which act like energy
beamsplitters. The probability to detect the atom in a given energy level exhibits
interference fringes. In our experiment, one of the two pulses is applied in the
mode of a superconducting cavity. Thanks to the strong coupling between the atoms
and the cavity, we were able to apply the pulse even when the field in the cavity
contains a small average number of photons (N<1, quantum pulse). The
fringes'contrast is then strongly reduced because the cavity field measures the
atomic state inside the interferometer. This measurement becomes less and less
efficient when N increases. Thus, the fringes'contrast increases also, until it
reaches the intrinsic contrast of a classical Ramsey interferometer when N>>1. A
simple model, based on entanglement between the atom and the cavity, accounts
quantitatively for the measurements made. One of the major interests of the Cavity
Quantum Electrodynamics setup is to allow the generation of non-classical states of
the field. Therefore, it is interesting to fully characterize them. We present, in
the last chapter of this work, a method to directly measure the Wigner function of
any state of the cavity, and its implementation for a one-photon Fock state.