Manipulation d’atomes de Rydberg par contrôle quantique

Manipulation of Rydberg atoms using quantum optimal control

• Auteur / Autrice : Arthur Larrouy
• Direction : Jean-Michel Raimond
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 29/05/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Maria Chamarro
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christiane Koch
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Cheinet, Fedor Jelezko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Schrödinger, Équation de

Théorie quantique

Commande, Théorie de la

Rydberg, États de

Mots clés libres

Atomes de Rydberg

Contrôle optimal

Métrologie quantique

Chat de Schrödinger

Technologies quantiques

Contrôle quantique

Rydberg atoms

Optimal control

Schrödinger cat

Résumé

Notre dispositif expérimental nous permet de préparer et de manipuler des atomes de Rydberg circulaires [1] dont l’intérêt pour la métrologie quantique a déjà été démontré [2,3]. Le sujet de cette thèse est l’implémentation expérimentale de la Théorie du contrôle quantique (OCT) à la préparation d’états arbitraires d’atomes de Rydberg de rubidium. Jusqu’à présent, la préparation d’atomes de Rydberg circulaires avec une grande fidélité nécessitait d’effectuer un passage adiabatique [1], qui requiert l’emploi d’impulsions radiofréquences (RF) de plusieurs microsecondes. Ce travail, réalisé en collaboration avec S. Patsch et C. P. Koch de l’Université de Kassel pour la partie théorique, a constitué en l’implémentation d’impulsions RF obtenues grâce à la méthode de Krotov [4] permettant la préparation d’atomes de Rydberg circulaires avec une fidélité de 96,2% en seulement 113 ns. De plus, nous avons montré que l’OCT peut aussi être utilisée afin de préparer des états plus complexes et appliqué celle-ci à la préparation d’une superposition d’un état circulaire et d’un de faible moment cinétique orbital, qui a des applications en métrologie. Nous atteignons une fidélité de 93% avec une impulsion RF de 167 ns, ce qui constitue une remarquable amélioration en comparaison de la technique de préparation précédemment utilisée [2]. [1] A. Signoles et. al. Phys. Rev. Lett. 118, 253603 ; [2] A. Facon et. al., Nature 535, 262–265(2016) ; [3] E. K. Dietsche et. al., Nature Physics 15, 326–329(2019) ; [4] S. Patsch et. al., Phys. Rev. A 97, 053418

Our experimental setup allow us to prepare and manipulate circular Rydberg atoms [1] which are of great use for metrological applications [2,3]. The topic of this PhD thesis is the experimental implementation of optimal control theory (OCT) to the preparation of arbitrary states of rubidium Rydberg atoms. So far, preparing circular Rydberg states with high fidelity required to perform an adiabatic passage [1], which implies the use of µs-long radiofrequency (RF) pulse. During this work, in collaboration with S. Patsch and C.P. Koch from the University of Kassel for the theory part, we experimentally implement RF pulses obtained using the Krotov method [4], and prepare circular Rydberg states with a fidelity of 96.2% in only 113 ns. Moreover, we show that OCT can also be applied to prepare more complex states, and demonstrate the preparation of a superposition of a circular state and a low angular momentum state, which has application to metrology. We reach a fidelity of 93% with a 167 ns-long pulse, which is a remarkable improvement in comparison to the previously used technique [2]. [1] A. Signoles, E. K. Dietsche, A. Facon, D. Grosso, S. Haroche, J. M. Raimond, M. Brune, and S. Gleyzes, Phys. Rev. Lett. 118, 253603 ; [2] A. Facon, E.K. Dietsche, D. Grosso, S. Haroche, J.M. Raimond, M. Brune & S. Gleyzes, Nature 535, 262–265(2016) ; [3] E. K. Dietsche, A. Larrouy, S. Haroche, J. M. Raimond, M. Brune & S. Gleyzes, Nature Physics 15, 326–329(2019) ; [4] S. Patsch, D.M. Reich, J.M. Raimond, M. Brune, S. Gleyzes, and C.P. Koch, Phys. Rev. A 97, 053418