Contrôle d'états quantiques dans des cavités (QUantum State COntrol IN CAvities) – QUSCO-INCA

Nous proposons de mettre en oeuvre des méthodes de rétroaction quantique sur un champ piégé pour générer et/ou protéger des états quantiques spécifiques. Au lieu de préparer un état donné et observer passivement son évolution sous l?effet du couplage à l?environnement, nous effectuerons des mesures non-destructives (QND) et exploiterons leurs résultats pour influer sur l?évolution ultérieure du système et le diriger vers un état prédéterminé. Le champ micro-onde, piégé dans une ou deux cavités supraconductrices de très grand Q, sera observé de façon répétée par des atomes de Rydberg circulaires non-résonnants traversant l?appareil un à un. Un interféromètre atomique de Ramsey mesurera le déphasage produit par le champ sur les dipôles atomiques, d?où le nombre de photons sera déduit. Une mesure complète demande un grand nombre d?atomes sondes, mais la détection de chacun apporte une information partielle que l?on exploitera pour faire évoluer le champ dans la direction désirée en agissant entre deux sondes consécutives sur une variable de contrôle. Ces variables seront de deux types différents. Dans une série d?expériences, nous injecterons dans la cavité de petits champs cohérents d?amplitude et phase ajustables. Le champ subira de petites translations dans son plan de phase, avec des pas dont la longueur et la direction dépendront des mesures QND précédentes. Alternativement, nous utiliserons des atomes résonnants, intercalés entre les atomes sondes non-résonnants, pour ajouter ou retirer un photon de la cavité. Ces méthodes seront appliquées à la préparation et à la protection d?états de Fock et d?états « chats de Schrödinger ». Ces derniers sont des superpositions d?états cohérents de phases opposées que l?on peut générer en faisant interagir un seul atome non-résonnant avec un état cohérent initialement préparé dans la cavité. La rétroaction sera aussi utilisée pour améliorer la mesure QND elle-même. Sous sa forme actuelle, les réglages de l?interféromètre de Ramsey sont ajustés de façon prédéterminée et quelques dizaines d?atomes sont nécessaires pour fixer le nombre de photons. Nous démontrerons une méthode beaucoup plus efficace où les réglages seront changés après chaque atome, en fonction des résultats des mesures précédentes. Chaque atome fournira alors un bit du nombre de photons et l?intensité du champ sera obtenue avec un nombre d?atomes de l?ordre du logarithme de la limite supérieure du nombre de photons attendu. Nous appliquerons cette méthode à un champ piégé dans une cavité, puis nous l?étendrons à des champs délocalisés dans deux cavités identiques. Nous commencerons par préparer dans les cavités un « chat de Schrödinger » correspondant à un champ cohérent suspendu entre les deux cavités et nous mesurerons par la méthode QND optimale le nombre de photons de ce champ. Nous obtiendrons ainsi un état de type « NOON », superposition de N photons piégés dans l?une ou l?autre des cavités. Pour réaliser ces expériences, il faut extraire l?information du champ aussi vite que possible, afin de rendre la rétroaction efficace. Ceci demandera une source d?atomes pulsée sub-Poissonienne qui les préparera régulièrement un à un, avec une probabilité négligeable d?avoir soit zéro, soit plus d?un atome par impulsion. Ce « canon à atomes » déterministe sera basé sur l?excitation répétée d?un petit échantillon d?atomes froids dans une cavité optique auxiliaire. L?émission d?un photon par cette cavité signalera la préparation d?un atome unique dans un sous-état hyperfin de l?état fondamental. Cet atome sera alors extrait par un faisceau laser et excité dans un état de Rydberg circulaire avant d?être envoyé dans la cavité supraconductrice. Ce schéma d?excitation sélective sera un outil essentiel pour une rétroaction quantique efficace. Un effort expérimental important portera sur l?ordinateur dédié aux procédures de rétroaction quantique. Dans l?état présent de nos expériences, le champ et les atomes sont manipulés par des opérations préprogrammées. Les séquences sont synchronisées avec les impulsions de préparation atomique, de sorte que chaque atome et le champ de la cavité sont «adressés» individuellement et au bon moment. Pour réaliser une rétroaction active, il faut remplir une condition supplémentaire essentielle: les manipulations des atomes et du champ doivent être conditionnées aux résultats des mesures antérieures. L?ordinateur doit pouvoir, après enregistrement du résultat d?une mesure calculer en temps réel la réponse adéquate et donner les ordres permettant de l?appliquer au système. Ceci demandera l?utilisation d?une grande puissance de calcul et la mise au point de logiciels appropriés. En effectuant de la rétroaction quantique sur un mode du champ, un système simple et bien contrôlé, nous en apprendrons plus sur la frontière quantique-classique et nous réaliserons des pas essentiels vers le contrôle des systèmes quantiques pour des applications pratiques.