Atomes froids, photons, et corrélations quantiques – QuaCor

Dans un premier temps, nous exploitons les corrélations entre photons émis par des atomes saturés pour montrer comment un ensemble multi-atomes peut être utilisé comme source contrôlable de photons corrélés. Détecter les corrélations dans un grand système quantique peut être difficile, et les équipes française et brésilienne exploitent différents dispositifs expérimentaux pour aborder ce problème. L'équipe française aborde également la question des mémoires dans un grand nuage d'atomes froids dans le régime dilué, mémoire qui se manifeste sous la forme de modes sous-radiants. L'objectif est d'exploiter plus efficacement le potentiel de ces états de longue durée de vie, à la fois en termes de couplage et d'extraction de l'information. L'équipe expérimentale brésilienne se penche sur le régime dense, où l'optique de champ proche échoue à cause des corrélations entre les dipoles atomiques. Pour finir, l'un des objectifs théoriques est de déterminer comment générer et détecter des corrélations quantiques entre atomes dans un grand nuage dilué, grâce aux oscillations de Rabi collectives ou par synchronisation.

Les objectifs scientifiques annoncés dans ce projet ont été globalement atteints, avec parmi les résultats marquants l’observation de la transition entre les régimes classique et quantique grâce aux corrélations d’intensité, l’étude de la sous-radiance quantique ou encore les premiers résultats de mesure de transmission dans le régime dense. Ce projet a également stimulé de nouvelles collaborations et en particulier la mise en place par le CNRS d’un « International Research Network » entre la France et le Brésil qui débutera en 2025.

Ce projet est une réussite avec 16 articles en commun dans des revues à comité de lecture. Ce projet est également une réussite en termes de collaboration avec de nombreuses missions entre la France et le Brésil, que ce soit pour les chercheurs seniors ou pour les étudiants en doctorat et les post-doctorants. Les objectifs scientifiques ont été couronnés de succès et les verrous qui ne pouvaient être levés ont été contournés, donnant lieu à de nouvelles orientations de recherche prometteuses.

Les dispositifs dédiés à l'information, aux calculs et la communication quantiques requièrent l'utilisation conjointe de plusieurs systèmes quantiques : les photons permettent par exemple de transmettre l'information sur de grandes distances, les atomes froids piégés peuvent être manipulés et traiter des calculs quantiques, et les ensembles atomiques peuvent être utilisés comme mémoires quantiques de grande durée de vie, ainsi-que que pour la génération de corrélations non classiques. Les atomes froids représentent ainsi une plateforme prometteuse pour manipuler la lumière. Dans ce projet, nous nous focaliserons sur deux outils spécifiques dédiés à l'information quantique : les sources de photons corrélés et les mémoires quantiques, en exploitant en particulier les états quantiques collectifs et multimodes des ensembles atomiques. Nous aborderons la diffusion collective de la lumière par de grands nuages d'atomes pour optimiser ces propriétés, i. e., notre objectif est de montrer comment les interactions dipole-dipole peuvent permettre d'adapter à la fois la durée de vie et les propriétés de cohérence de la lumière émise.
Dans un premier temps, nous exploiterons les corrélations entre photons émis par des atomes saturés pour montrer comment un ensemble multi-atomes peu être utilisé comme source contrôlable de photons corrélés. Détecter les corrélations dans un grand système quantique peut être difficile, et les équipes française et brésilienne exploiteront différents dispositifs expérimentaux pour aborder ce problème. L'équipe française abordera également la question des mémoires dans un grand nuage d'atomes froids dans le régime dilué, mémoire qui se manifeste sous la forme de modes sous-radiants. L'objectif est d'exploiter plus efficacement le potentiel de ces états de longue durée de vie, à la fois en terme de couplage et d'extraction de l'information. L'équipe expérimentale brésilienne se penchera sur le régime dense, où l'optique de champ proche échoue à cause des corrélations entre les dipoles atomiques. Pour finir, l'un des objectifs théoriques sera de déterminer comment générer et détecter des corrélations quantiques entre atomes dans un grand nuage dilué, grâce aux oscillations de Rabi collectives ou par synchronisation.