Preparation, manipulation and detection of single atoms on a chip
Préparation, manipulation et détection d'atomes uniques sur une puce à atomes
Résumé
In the three last decades, laser cooling techniques made a huge progress, enabling the realization of high precision devices, such as atomic clocks and gravimeters, based on a perfect control of the interaction between light and matter. Single ions or atoms, in a well-controlled motional state, appear as the ultimate carrier of information for a quantum computer. The road to the quantum computer makes necessary the integration and miniaturisation of the technology which allows to manipulate the atoms with such a high precision. The atomchips represent a big step towards this goal, providing a dramatic reduction to the requirements in terms of volume and cost of laser cooling experiments. Current developments of atomchips technology are largely focused on the realization of integrated devices which extend capabilities in terms of atomic manipulation.
In this thesis, we demonstrate the first detector for trapped single atoms, integrated to an atomchip. The detection device is a high finesse Fabry-Perot optical cavity, in the strong coupling regime of cavity QED. The cavity allows to perform a quantum-non-destructive measurement of the atomic hyperfine number, and perturbs the atomic motional state much less than a free space optical detector. We use this measurement device also to prepare a single atom in a well-defined internal state.
Relying on the preparation and measurement of the atomic state with the cavity, we carry out the first Quantum Zeno Effect experiment performed with single, neutral atoms. Under continuous measurement, we show that Rabi oscillations between hyperfine ground states are slowed down and eventually frozen. This experiment clearly proves that the decoherence induced by a cavity-based detector is totally dominated by the leakage of cavity photons, and not the atomic spontaneous emission.
In this thesis, we demonstrate the first detector for trapped single atoms, integrated to an atomchip. The detection device is a high finesse Fabry-Perot optical cavity, in the strong coupling regime of cavity QED. The cavity allows to perform a quantum-non-destructive measurement of the atomic hyperfine number, and perturbs the atomic motional state much less than a free space optical detector. We use this measurement device also to prepare a single atom in a well-defined internal state.
Relying on the preparation and measurement of the atomic state with the cavity, we carry out the first Quantum Zeno Effect experiment performed with single, neutral atoms. Under continuous measurement, we show that Rabi oscillations between hyperfine ground states are slowed down and eventually frozen. This experiment clearly proves that the decoherence induced by a cavity-based detector is totally dominated by the leakage of cavity photons, and not the atomic spontaneous emission.
Les techniques de refroidissement laser ont réalisé des progrès immenses depuis le début des années 80. Affranchis de toutes les incertitudes inhérentes au mouvement thermique, les physiciens sont désormais en mesure de réaliser des dispositifs de mesure toujours plus précis, tels des horloges ou des gravimètres, en s'appuyant sur l'interaction parfaitement contrôlée entre le champ électromagnétique et de simples nuages d'atomes. De plus en plus, l'utilisation d'atomes ou d'ions comme ultime porteurs d'information apparait comme une solution plausible à la réalisation d'ordinateurs quantiques. Dans cette optique, de nombreux efforts sont consentis afin de miniaturiser, de simplifier, et de rendre possible la production en masse de cette technologie permettant de manipuler les atomes avec tant de précision. L'introduction des puces à atomes a permis de réaliser un grand pas dans cette direction, réduisant drastiquement l'encombrement et le coût des expériences de refroidissement d'atomes. Désormais, la réalisation de dispositifs sur puce permettant d'étendre les possibilités de manipulation des atomes piégés est devenue un objectif majeur.
Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé le premier détecteur d'atomes uniques piégés sur une puce à atomes, basé sur l'interaction avec un mode de cavité optique dans le régime de couplage fort. La cavité optique est directement intégrée à la puce à atomes. Fonctionnant dans le régime de détection dite "non-destructive", le dispositif de détection permet de préparer de manière déterministe un atome unique piégé dans un piège dipolaire, avec une précision en position submicrométrique, et dans un état interne spécifique. La détection en tant que telle permet de mesurer l'état hyperfin de l'atome, en perturbant son état externe nettement moins qu'un système de détection fonctionnant en espace libre.
Ce nouveau dispositif de préparation et de mesure est utilisé dans une expérience d'effet Zénon quantique, la première à être effectuée avec des atomes neutres individuels. Sous l'effet de la mesure, l'oscillation de Rabi entre les deux sous-niveaux hyperfins $\s{F=1}$ et $\s{F=2}$ du niveau fondamental de l'atome de Rubidium 87 est stoppée. L'expérience, effectuée à la fois dans le régime continu et le régime pulsé, permet de montrer l'adéquation entre le flux d'information extraite du système et le flux de photons traversant la cavité optique de détection.
Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé le premier détecteur d'atomes uniques piégés sur une puce à atomes, basé sur l'interaction avec un mode de cavité optique dans le régime de couplage fort. La cavité optique est directement intégrée à la puce à atomes. Fonctionnant dans le régime de détection dite "non-destructive", le dispositif de détection permet de préparer de manière déterministe un atome unique piégé dans un piège dipolaire, avec une précision en position submicrométrique, et dans un état interne spécifique. La détection en tant que telle permet de mesurer l'état hyperfin de l'atome, en perturbant son état externe nettement moins qu'un système de détection fonctionnant en espace libre.
Ce nouveau dispositif de préparation et de mesure est utilisé dans une expérience d'effet Zénon quantique, la première à être effectuée avec des atomes neutres individuels. Sous l'effet de la mesure, l'oscillation de Rabi entre les deux sous-niveaux hyperfins $\s{F=1}$ et $\s{F=2}$ du niveau fondamental de l'atome de Rubidium 87 est stoppée. L'expérience, effectuée à la fois dans le régime continu et le régime pulsé, permet de montrer l'adéquation entre le flux d'information extraite du système et le flux de photons traversant la cavité optique de détection.
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