Theoretical studies of optical non-linear effects in ultracold Rydberg gases

par Andrey Grankin

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Grangier.

Soutenue le 21-06-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (2015-.... ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Institut d'optique théorique et appliquée (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire Charles Fabry / Optique quantique (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Michel Raimond.

Le jury était composé de Philippe Grangier, Pierre Pillet, Igor Lesanovsky, Etienne Brion.

Les rapporteurs étaient Klaus Moelmer, Michael Fleischhauer.

  • Titre traduit

    Etudes théoriques d’effets optiques non-linéaires dans un gaz ultrafroid d’atomes de Rydberg


  • Résumé

    Les photons apparaissent comme des vecteurs d'information fiables, car ils interagissent peu avec leur environnement. Malheureusement, ils interagissent si faiblement entre eux que la réalisation directe de portes logiques optiques à deux qubits est impossible. La propagation à travers des milieux atomiques non-linéaires permet néanmoins d'engendrer des interactions photon-photon effectives. L'utilisation du phénomène de transparence électromagnétiquement induite (EIT) permet d'induire une forte non-linearité résonante -- néanmoins pas encore détectable dans le domaine quantique, sur une transition d'un système à trois niveaux en “échelle”. Pour augmenter les effets non-linéaires et atteindre le régime quantique, il a récemment été proposé de combiner l'approche EIT au blocage d'excitation induit par les fortes interactions dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg. En plaçant le milieu en cavité, on impose à la lumière des passages multiples et on accroît encore la non-linéarité optique. Ce type de dispositif a été étudié théoriquement et expérimentalement dans le régime dispersif et pour une non-linéarité faible, pour lequel un traitement classique du champ est adapté. Dans le présent mémoire, nous nous intéressons aux effets optiques non-linéaires induits par un milieu Rydberg dans le régime quantique.Dans le chapitre 1, nous présentons notre système d'étude, ses équations dynamiques et rappelons la définition et les principales propriétés de la fonction de corrélation d'intensité g^{2}que nous utilisons pour caractériser l'action de la non-linéarité sur le champ incident. Dans le chapitre 2, nous considérons le régime dispersif, i.e. lorsque l'état intermediaire est très désaccordé et peut être éliminé adiabatiquement. Nous utilisons l'approximation des bulles Rydberg selon laquelle le système peut être effectivement ramené à un ensemble de superatomes à deux niveaux couplés au mode de la cavité, décrit par le modèle de Tavis-Cummings forcé. Nous calculons analytiquement et numériquement la fonction g^{2}pour la lumière transmise, qui, selon les paramètres de la cavité, peut être “groupée” ou “dégroupée”. Dans le chapitre 3, nous présentons un traitement alternatif du système, qui nous permet d'étudier le régime résonant. Dans la limite d'un champ incident faible, nous dérivons analytiquement la fonction de corrélation g^{2} pour les lumières transmise et réfléchie, grâce à la factorisation des moyennes de produits d'opérateurs à l'ordre le plus bas de la théorie de perturbation. Nous proposons ensuite un modèle effectif non-linéaire à trois bosons pour le système couplé atomes-cavité. Enfin, nous étudions le régime résonant et observons de nouvelles caractéristiques de la fonction de corrélation g^{2}qui attestent la relation entre les conditions d'adaptation d'impédance de la cavité pour les différentes composantes du champ et les interactions dipôle-dipôle entre les atomes. Dans le chapitre 4, nous analysons le système dans le formalisme de Schwinger-Keldysh. En appliquant le théorème de Wick, nous développons perturbativement les fonctions de corrélation par rapport au Hamiltonien d'alimentation de la cavité et au Hamiltonien d'interaction dipôle-dipôle et effectuons une resommation complète par rapport à ce dernier. Nous retrouvons par cette méthode les résultats du Chapitre 3, sous une forme analytique. Nous allons aussi au-delà et derivons des expressions analytiques pour les composantes élastique et inélastique du spectre en transmission de la cavité. Nous identifions une structure de résonance polaritonique, jusque-là inconnue, que nous interprétons physiquement. Dans le chapitre 5, nous décrivons un protocole de porte photonique de phase de haute fidélité fondé sur le blocage Rydberg dans un ensemble atomique placé dans une cavité optique. Ce protocole peut être réalisé avec des cavités de finesse modérée et permet en principe un traitement efficace de l'information quantique codée dans des photons.


  • Résumé

    Photons appear as reliable information messengers since they interact very weakly with their environment. Unfortunately, they interact so weakly with each other that the direct implementation of optical two-qubit gates is impossible. The propagation through atomic nonlinear media however allows one to achieve effective photon-photon interactions. The technique of electromagnetically induced transparency (EIT) allows one to induce a strong resonant non-linearity -- not strong enough to be noticeable in the quantum domain though, on one of the transitions of a three-level ladder system. To enhance the nonlinear effects and reach the quantum regime, it was recently proposed to combine the EIT approach with the excitation blockade induced by the strong dipole-dipole interactions between Rydberg atoms. By putting the medium in a cavity, one imposes multiple passes to the light therefore increasing the optical nonlinearity. This kind of setup was studied both theoretically and experimentally in the dispersive regime and for a relatively weak nonlinearity, for which a classical treatment of the field is still valid. In this dissertation, we investigate the optical nonlinear effects induced by a Rydberg medium in the quantum regime.In chapter 1, we present our system, its dynamical equations and recall the definition and basic properties of the intensity correlation function g^{left(2right)}that we use to characterize the action of nonlinearity on the photonic field. In chapter 2, we consider the so-called dispersive regime, i.e. when the intermediate state is far detuned and can be adiabatically eliminated. We employ the Rydberg bubble approximation in which the system effectively consists in an ensemble of two-level superatoms coupled to the cavity mode, described by the driven Tavis-Cummings model. We compute analytically and numerically the g^{left(2right)}function of the transmitted light, which, depending on the cavity parameters, is shown to be either bunched or antibunched. In chapter 3, we present an alternative treatment of the system, which allows us to investigate the resonant regime. In the low-feeding limit, we analytically derive the correlation function g^{left(2right)}left(tauright)for the transmitted and reflected lights, based on the factorization of the lowest perturbative order of operator product averages. We then propose an effective non-linear three-boson model for the coupled atom-cavity system. Finally, we investigate the resonant regime and observe novel features of the correlation function g^{left(2right)}showing the interplay of impedance matching conditions and dipole-dipole interactions. In chapter 4, we analyze the system in the Schwinger-Keldysh formalism. Applying Wick's theorem, we perturbatively expand correlation functions with respect to both, feeding and dipole-dipole interactions Hamiltonians and perform a complete resummation with respect to the latter. By this method we recover the results of Chap. 3 in an analytic form. We also go beyond and derive analytic expressions for the elastic and inelastic components of the cavity transmission spectrum. We identify a polaritonic resonance structure in this spectrum, to our knowledge unreported so far, that we physically interpret. In chapter 5, we describe a novel scheme for high fidelity photonic controlled-phase gates using Rydberg blockade in an ensemble of atoms in an optical cavity. This protocol can be implemented with cavities of moderate finesse allowing for highly efficient processing of quantum information encoded in photons.


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