Façonnage d'ondes de matière dans un réseau optique dépendant du temps : du chaos quantique au contrôle quantique

Matter waves control in a time-dependent optical lattice : from quantum chaos to quantum control

• Auteur / Autrice : Gabriel Chatelain
• Direction : David Guéry-Odelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la Matière
• Date : Soutenance le 15/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Collisions Agrégats Réactivité (Toulouse ; 1992-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : David Guéry-Odelin, Sylvain Capponi, Romain Dubessy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Denis Boiron, Mathilde Hugbart

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chaos quantique

Réseaux de diffraction

Condensation de Bose-Einstein

Mots clés libres

Condensats de Bose-Einstein

Réseau optique

Collisions ultrafroides

Contrôle optimal quantique

Chaos quantique

Bose-Einstein condensates

Optical lattice

Ultracold collisions

Quantum optimal control

Quantum chaos

Résumé

En attendant de parvenir à construire un ordinateur quantique universel, les physiciens se sont attelés à développer des simulateurs quantiques : un système capable d'émuler des modèles de divers domaines de la physique sur lequel l'utilisateur possède un grand degré de contrôle. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur un tel simulateur réalisé à l'aide condensats de Bose-Einstein manipulés par un réseau optique unidimensionnel. Dans ce manuscrit, nous décrivons plusieurs travaux expérimentaux réalisés en proche collaboration avec des physiciens théoriciens. Le premier d'entre eux porte sur le contrôle d'halos de diffusion. Nous proposons un nouveau protocole de contrôle de ces halos portant sur un décalage abrupt de la phase du réseau optique. Cette première étude soulève une nouvelle question : peut-on, par un variation adéquate de la phase du réseau optique, façonner la distribution en impulsion du condensat ? Cette question est un problème d'optimisation bien posé auquel la théorie du contrôle optimal peut répondre. Grâce à ce formalisme, nous sommes en mesure de contrôler l'état quantique du condensat dans le réseau optique. Ces nouveaux types de protocoles peuvent permettre de préparer des états initiaux permettant d'observer de nouveaux effets physiques. Un de ces effets est le transport d'un nuage d'atomes dans un paysage classiquement chaotique. Nous avons modulé périodiquement l'amplitude du réseau optique de telle manière à générer un espace des phases mixtes dans lequel nous avons mis en évidence un effet tunnel dit "assisté par le chaos".

While seeking to build a universal quantum computer, physicists have been working on developing quantum simulators : a system capable of emulating models of others domains of physics over which the user has a large degree of control. The work presented in this thesis concerns such a simulator realized with Bose-Einstein condensates manipulated by a one-dimensional optical lattice. In this manuscript, we describe several experimental works realized in close collaboration with theoretical physicists. The first one is about the control of scattering halos. We propose a new protocol to control these halos by abruptly shifting the phase of the optical lattice. This first study then naturally raises a new question : can we, by an adequate variation of the optical lattice's phase, shape the momentum distribution of the condensate ? This question is an optimization problem that optimal control theory is able to answer. Using this formalism, we are able to control the quantum state of the condensate within the lattice. These new types of protocols open interesting perspectives as the preparation of initial states for the observation of physical effects that are difficult to observe. One of these effects is the the transport of a cloud of atoms in a classically chaotic landscape. We have periodically modulated the amplitude of the optical lattice in such a way as to generate a mixed phase space in which we have demonstrated a so-called "chaos-assisted tunneling".