Thèse soutenue

Production et interaction de photons en utilisant des polaritons atomiques et des interactions de Rydberg
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Auteur / Autrice : Erwan Bimbard
Direction : Philippe Grangier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 01/12/2014
Etablissement(s) : Palaiseau, Institut d'optique théorique et appliquée
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 1998-2015)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique quantique
Jury : Président / Présidente : Pierre Pillet
Examinateurs / Examinatrices : Pascale Senellart, Matthias Weidemüller, Alexei Ourjoumtsev
Rapporteurs / Rapporteuses : Charles Adams, Jean-Michel Raimond

Résumé

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Produire et faire interagir entre eux des photons optiques de façon contrôlée sont deux conditions nécessaires au développement de communications quantiques à longue distance, et plus généralement au traitement quantique d’information codée sur des photons. Cette thèse présente une étude expérimentale de solutions possibles a ces deux problèmes, en utilisant la conversion des photons en excitations collectives (polaritons) dans un nuage d’atomes froids, placé dans le mode d’une cavité optique de faible finesse (~100). Dans un premier temps, des polaritons entre états atomiques fondamentaux sont utilisés pour « mettre en mémoire » une excitation unique dans le nuage. Celle-ci est ensuite convertie efficacement en un photon unique, dont le champ est analysé par tomographie homodyne. La fonction de Wigner de l’état à un photon est reconstruite a partir des données expérimentales, et présente des valeurs négatives, démontrant que les degrés de liberté de ce photon (mode spatio-temporel et état quantique) sont complètement contrôlés. Dans un second temps, les photons sont couplés à des polaritons impliquant des états de Rydberg. Les fortes interactions dipolaires entre ces derniers se traduisent par des non-linéarités optiques dispersives très importantes, qui sont caractérisées dans un régime d’excitation classique. Ces non-linéarités peuvent être amplifiées jusqu’à ce qu’un seul photon suffise à modifier totalement la réponse du système, permettant en principe de générer des interactions effectives entre photons.