Nondestructive detection for atom interferometry and Bose-Einstein condensation in a high finesse optical cavity

Détection non-destructive pour l’interférométrie atomique et Condensation de Bose-Einstein dans une cavité optique de haute finesse

Thomas Vanderbruggen (1)

1 Laboratoire Charles Fabry / Optique atomique

In this thesis, we study several methods to improve atom interferometers. In the first part of the manuscript, we analyze how a nondestructive detection, that preserves the coherence between the internal degrees of freedom in an atomic ensemble, can be used to increase the sensitivity of interferometers. We first theoretically show how the projection of the wave-function induced by the measurement prepares spin-squeezed states. We then present the implementation of this method with a detection based on the frequency modulation spectroscopy. Finally, some first applications are described, more explicitly we show how to implement a quantum feedback that preserve the atomic state against the decoherence induced by a random collective flip, we also introduce a phase-locked loop where the atomic sample is used as the phase reference. In the second part of the manuscript, we present the all-optical realization of a Bose-Einstein condensate in a high-finesse cavity using a laser system based on standard telecoms technologies. We first describe the resonator and the frequency lock of the laser on the resonance, in particular, we introduce a new stabilization method based of the serrodyne modulation. Finally, we show how the condensate is obtained from the evaporation in the cavity mode.

Ce mémoire de thèse étudie diverses méthodes d'amélioration des interféromètres atomiques. Dans la première partie du manuscrit, nous analysons comment une détection non-destructive, au sens où elle préserve la cohérence entre les états internes de l'ensemble atomique, permet d'améliorer la sensibilité des interféromètres. Nous montrons tout d'abord, grâce à une étude théorique, que la projection du vecteur d'onde engendrée par la mesure permet de préparer des états comprimés de spin. Nous présentons ensuite la mise en œuvre de cette méthode à l'aide d'une détection reposant sur la spectroscopie par modulation de fréquence. Finalement, nous exposons quelques premières applications de cette détection non-destructive, plus précisément nous présentons la réalisation du rétroaction quantique qui protège l'état atomique contre la décohérence induite par un basculement du spin collectif, nous montrons aussi comment réaliser une boucle à verrouillage de phase où les atomes servent de référence de phase. Dans la seconde partie du manuscrit, nous présentons la réalisation tout-optique d'un condensat de Bose-Einstein dans une cavité de haute finesse, exploitant les technologies développées pour les télécommunications optiques. Nous commençons par une analyse du résonateur et des méthodes d'asservissement, nous introduisons notamment une méthode d'asservissement originale exploitant la modulation serrodyne. Enfin, nous montrons comment un condensat est obtenu par évaporation dans le mode optique de la cavité.

Mots clés: Nondestructive detection; Quantum measurement; Atom interferometry; Quantum feedback; Optical resonator; Laser frequency stabilization; Bose-Einstein condensate

Mots clés: Résonateur optique; Rétroaction quantique; Interférométrie atomique; Détection non-destructive; Mesure quantique; Stabilisation en fréquence; Condensat de Bose-Einstein

Domaines: Autre [cond-mat.other]

Thomas Vanderbruggen. Détection non-destructive pour l’interférométrie atomique et Condensation de Bose-Einstein dans une cavité optique de haute finesse. Autre [cond-mat.other]. Université Paris Sud - Paris XI, 2012. Français. ⟨NNT : 2012PA112067⟩. ⟨tel-00702905⟩