Études des états non classiques d'atomes de Rydberg – Snocar

Notre compréhension de la physique quantique, ainsi que notre capacité à manipuler des systèmes quantiques individuels a considérablement progressé pendant les dernières dizaines d’années. Ces progrès ont permis de donner un regard nouveau sur les phénomènes quantiques les plus fondamentaux (mesure, intrication, non localité…). Mais surtout, nous sommes aujourd’hui capable de maitriser suffisamment les systèmes quantiques pour développer des technologies radicalement différentes basées sur les propriétés quantiques. Cet effort de recherche, en pleins essor, va permettre, à moyen ou long terme, de manipuler l’information d’une façon complètement nouvelle, avec le développement de l’ordinateur quantique ou de la simulation quantique. D’ici là, les propriétés quantiques peuvent déjà être utilisée pour améliorer les expériences de métrologie.
Le projet SNOCAR cherche a développer un nouveau dispositif qui permette de mesurer les champs électriques et magnétiques avec une précision meilleure que la limite quantique standard, afin d’atteindre une sensibilité bien meilleure que les appareils basées sur des états classiques. SNOCAR utilise l’extrême sensibilité des atomes de Rydberg aux champs extérieurs. En raison de leur immense taille, environ 0.25 µm pour des états de nombre quantique principal n = 50, ces atomes ont des dipôles atomiques des milliers de fois plus grands que les états ordinaires, correspondant a des déplacement d’énergie de l’ordre de la centaine de MHz pour des champs de quelques V/cm. De plus, les états de moment magnétique maximaux (appelées états circulaires) sont aussi très sensibles à l’effet Zeeman.
La nouveauté essentielle de SNOCAR est de préparer en plus l’atome dans des états très non classiques, superposition quantiques d’états aux propriétés électriques ou magnétiques très différentes. Ces superpositions vont accumuler une phase relative très grande pendant leur évolution, qui sera mesurée ensuite par interférométrie. Cette méthode va nous permettre d’atteindre une sensibilité meilleure que celle obtenue avec les électromètres actuels. Nous devrions être capable de détecter la présence d’un électron a quelques centaine de microns avec une bande passante de l’ordre du MHz. Des mesures de champ magnétiques de 100 nT en quelques microsecondes, et avec une résolution de l’ordre du micron, sont à notre portée. Ces chiffres laissent envisager des applications très prometteuses. Les atomes de Rydberg vont nous permettre de faire des mesures sensibles, locales, non-invasive qui pourront être utilisés dans un grand nombre de systèmes.
Le project SNOCAR repose sur mon expertise en matière de manipulation des atomes de Rydberg en environnement cryogénique. J’ai déjà effectué des expériences de principes démontrant l’intérêt des états non-classiques des atomes de Rydberg pour la métrologie. Aujourd'hui, je veux pousser ces mesures afin d’atteindre la limite ultime de précision autorisée par la mécanique quantique, la limite de Heisenberg, ou étudier comment ces mesures peuvent permettre de mesurer non seulement le champ électrique, mais aussi ses corrélations. Je développerai ensuite des méthodes innovantes basées sur l’effet Zenon dynamique afin de préparer des superpositions les plus adaptées possibles à la mesure du champ électrique ou du champ magnétique. Grâce aux méthodes de découplage dynamique, je réduirai la sensibilité des atomes au bruit électrique, ou au gradient de champ magnétique.
Le projet SNOCAR va me permettre de développer ma propre thématique de recherche au sein du Laboratoire Kastler Brossel, différente des sujets explorés par l’équipe de cavité QED, basée sur l’utilisation d’atomes de Rydberg comme sondes extrêmement sensibles. A la fin du projet, je serai prêt à développer des collaborations avec d’autres équipes, notamment de matière condensée, pour envisager de venir piéger les atomes au voisinages de structures plus complexes dont on cherche à comprendre la dynamique.