Un Registre d'Atomes Uniques dans une Cavité Optique pour l'Intrication de Nombreux Atomes – SAROCEMA

La génération et l’analyse de l’intrication entre plusieurs particules massives est devenu un sujet majeur de la physique quantique expérimentale. Au-delà de son importance fondamentale, l’intrication est la ressource essentielle à la base de nouvelles applications, comme la métrologie quantique, les simulations quantiques, l’information quantique et peut-être d’autres applications encore à venir. Cependant, peu de méthodes existent pour créer et mesurer l’intrication entre plusieurs particules tout en maintenant une résolution au niveau d’un seul qubit quand le nombre de qubits augmentent.

Le but de ce projet est d’étendre la création et la caractérisation d’états intriqués de plusieurs particules à des ensembles « mésoscopiques » d’une centaine d’atomes neutres tout en conservant une analyse au niveau de l’atome unique. Pour atteindre cet objectif, nous combinerons des méthodes d’électrodynamique quantique en cavité (CQED) avec les techniques des microscopes à gaz quantique développées pour les réseaux optiques. Nous réaliserons pour cela un registre d’atomes uniques dans un réseau optique à une dimension (1D), où chaque site du réseau sera maximalement et identiquement couplé au mode d’une cavité optique de grande finesse. La cavité permet la création d’intrication par l’interaction collective des atomes avec le mode de la cavité, tandis que la détection site-à-site permise par un microscope optique de haute résolution rendra possible une tomographie complète de l’état quantique.

Au cœur de ce dispositif expérimental ambitieux se trouve un nouveau type de cavité Fabry-Pérot fibrée (FPF) développée dans notre groupe. Cette plateforme expérimentale permet l’implémentation de méthodes pour générer des états intriqués symétriques, ce qui inclut les états Chats de Schrödinger, les états de Dicke et les états comprimés en spin. Grâce à nos progrès récents dans la fabrication des cavités fibrées et au réseau 1D, nous réaliserons des schémas d’intrication proposés théoriquement qui ne pouvaient être mis en œuvre dans aucune expérience jusqu'à présent. Combiné avec la tomographie complète de l’état quantique permise par la détection individuelle de chaque qubit, notre projet va au-delà de l’état actuel de l’art à la fois pour la création et l’analyse d’états intriqués. Dans une phase plus exploratoire, nous utiliserons le microscope de grande résolution pour réaliser des opérations locales sur chaque atome du registre, ouvrant la voie à la génération et l’analyse d’états intriqués non symétriques.

Ce système constituera un banc d’essai idéal pour explorer différentes méthodes d’intrication de plusieurs particules et étudier leurs limites fondamentales. Comme première approche, nous étudierons la « Dynamique de Zénon Quantique », une méthode puissante qui se produit lorsque l’évolution d’un système est confinée par des mesures projectives à un sous-espace. Tester cette méthode très générale est une étape importante en vue de possible applications pratiques de l’intrication.

Comme deuxième approche, nous réaliserons une implémentation contrôlable et ajustable du modèle de Dicke, qui décrit le couplage entre un ensemble d’atomes à deux niveaux et un mode du champ de la cavité. Une transition de phase quantique existe pour une certaine valeur du couplage, au voisinage de laquelle une intrication entre atomes est attendue. Notre méthode de tomographie est alors parfaitement adaptée pour quantifier l’intrication produite, permettant de mettre en exergue le lien entre transition de phase quantique et intrication.

Le système proposé se situe à la frontière de la CQED, de la physique des gaz quantiques dans des réseaux optiques, et de l’information quantique. Il offrira des possibilités nouvelles permettant d’explorer l’extension du contrôle de l’intrication quantique à des systèmes « mésoscopiques », indispensable pour l’émergence de nouvelles technologies quantiques.