Passage à l'échelle de matrices d'atomes dans des pinces optiques - Piégeage d'atomes individuels en environnement cryogénique

Scaling-up the Tweezer Platform - Trapping Arrays of Single Atoms in a Cryogenic Environment

• Auteur / Autrice : Kai-Niklas Schymik
• Direction : Thierry Lahaye
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/03/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et Matière
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Optique Quantique
• Partenaire(s) de recherche : référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Optique Quantique
• Jury : Président / Présidente : François Marquier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Lahaye, Michel Brune, Sebastian Hofferberth, Hélène Perrin, Fred Jendrzejewski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Brune, Sebastian Hofferberth

Mots clés

Mots clés contrôlés

Atomes froids

Basses températures

Simulation quantique

Pinces optiques

Mots clés libres

Pinces optiques

Simulation quantique

Cryogénie

Atomes individuels

Cryogenic techniques

Quantum simulation

Tweezers

Single atoms

Résumé

Des atomes individuels piégés dans des matrices de pinces optiques forment une des meilleures plateformes expérimentales pour la simulation quantique de modèles de spins. Comme pour la plupart des plateformes de simulation quantique, l'augmentation du nombre d'objets quantiques contrôlés individuellement est un défi majeur. Dans cette thèse, je présente notre travail sur la levée des principales limitations à la réalisation de grandes matrices d'atomes sans défaut avec des fidélités élevées. Ces limitations des fidélités de préparation incluent la durée de vie limitée par le vide d'un seul atome dans la pince, et le temps nécessaire pour préparer de grandes matrices, atome par atome, avec une pince optique mobile. Nous avons d'abord amélioré l'assemblage de grands réseaux d'atomes sans défaut en développant des nouveaux algorithmes plus efficaces. En utilisant ces derniers, nous avons augmenté le nombre d'atomes d’une quarantaine à deux cents sur notre expérience à température ambiante. Nous avons ensuite construit une nouvelle plateforme cryogénique de pinces à atomes dans laquelle la durée de vie d'un seul atome est supérieure à 6000 secondes, soit une amélioration d'environ 300 fois par rapport à notre expérience à température ambiante. Nous décrivons la conception et la construction de la nouvelle configuration cryogénique et évaluons ses performances dans une série de tests. Enfin, nous démontrons le piégeage d'atomes uniques dans des réseaux de pinces optiques à des températures cryogéniques et analysons les différents mécanismes de perte présents pendant la mesure de la durée de vie. Ces résultats ouvrent la voie à des simulations quantiques à grande échelle sur notre plateforme.

Tweezer atom arrays are a promising platform for the quantum simulation of spin models. As for most quantum simulation platforms, scaling up the number of individually controlled quantum objects is a major challenge. In this thesis, I present our work on lifting principal limitations to achieving large defect-free atom arrays with high fidelities. These limitations of the preparation fidelities include the vacuum-limited lifetime of a single atom in the tweezer, and the time needed to prepare large arrays atom-by-atom with a moveable optical tweezer. We first improved the assembly of large defect-free atom arrays by developing a new algorithmic framework. Using the new framework, we increased the number of atoms from around forty to two hundred on our room-temperature setup. We then built a novel cryogenic atom tweezer platform in which the single-atom lifetime is over 6000 seconds, an approximately 300-fold improvement over our room-temperature experiment. We describe the design and construction of the new cryogenic setup and evaluate its performance in a series of tests. Finally, we demonstrate the trapping of single atoms in tweezer arrays at cryogenic temperatures and analyze different loss mechanisms present during the lifetime measurement. These results open the way to large-scale quantum simulations on our platform.