Phénomènes de cohérence quantique macroscopique dans les jonctions Josephson bosoniques

Macroscopic quantum coherent phenomena in Bose Josephson junctions

• Auteur / Autrice : Giulia Ferrini
• Direction : Frank W. J. Hekking, Anna Minguzzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 20/10/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et modélisation des milieux condensés (Grenoble ; 1990-....)
• Jury : Président / Présidente : Wiebke Guichard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frank W. J. Hekking, Anna Minguzzi, Claude Fabre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Augusto Smerzi, Nicolas Pavloff

Mots clés

Mots clés libres

Josephson

Atomes froids

Cohérence quantique

Josephson

Cold atoms

Quantum coherence

Résumé

Dans les année récentes, les systèmes d'atomes froids ont été reconnus comme des outils prometteurs pour réaliser des simulateurs quantiques, ainsi que pour différentes applications en information quantique. Parmi eux notamment la jonction Josephson bosonique, un système de bosons ultrafroids dilués pouvant occuper deux modes, a été employée pour réaliser un interféromètre atomique, qui a permi d'estimer un déphasage avec une précision dépassant la limite classique. Dans cette thèse, nous étudions d'un point de vue théorique la production, la détection et la décohérence d'états intriqués qui peuvent être utilisés pour l'interférométrie de haute précision dans une jonction Josephson bosonique. Parmi ces états quantiques utiles se trouvent les états comprimés et les superpositions macroscopiques d'états cohérents. Dans la première du manuscrit, nous démontrons que les superpositions macroscopiques d'états cohérents peuvent être créées pendant la dynamique qui suit un arrêt soudain du couplage entre les deux modes de la jonction, puis nous étudions des protocoles de détection expérimentale. Il existe inévitablement dans chaque expérience des sources de bruit, les principaux étant le bruit de phase, induit par des fluctuations des énergies des deux modes, et la perte d'atomes. La présence de bruit induit de la décohérence et dégrade les corrélations quantiques des états manipulés. Dans la deuxième partie du manuscrit nous analysons en détail la façon dont les corrélations quantiques utiles des états comprimés et des superpositions macroscopiques sont dégradées par le bruit de phase. Nous montrons que, pour des intensités de bruit modérées, les superpositions d'états cohérents à plusieurs composantes sont des candidats intéressantes pour l'interférométrie de précision. Enfin, nous étudions l'effet de la perte d'atomes sur la formation des superpositions macroscopiques, en montrant comment la décohérence agit sur la matrice densité du système

In recent years, cold atomic systems have been recognized as very promising tools for quantum simulators and for applications in quantum technology. In particular, a Bose Josephson junction (BJJ) - a system of ultracold dilute bosons which can occupy two modes - has been used to realize an atomic interferometer, allowing to estimate a phase shift with a precision beyond the classical limit. In this thesis we study theoretically the production, detection and decoherence of entangled states which can be used for high-precision interferometry in a Bose Josephson junction. Among such useful quantum states are atomic squeezed states and macroscopic superpositions of coherent states. In the first part of the thesis, after demonstrating that macroscopic superpositions of coherent states can be created during the dynamics following a "quench" of the coupling between the two modes of the junction, we study protocols for their experimental detection. In the experiments there are unavoidable sources of noise, the major sources being phase noise, induced by stochastic fluctuations of the energies of the two modes of the BJJ, and particle losses. The presence of noise induces decoherence and degrades the quantum correlations of these states. In the second part of the thesis we analyze in detail how the useful quantum correlations of squeezed states and macroscopic superpositions are degraded by phase noise. We show that for moderate phase noise intensities multicomponent superpositions of coherent states are interesting candidates for high-precision atom interferometry. Finally, we address the effect of atom losses on the formation of macroscopic superpositions, showing how decoherence affects the system density matrix.