Microstructures d’atomes interagissant via leur états Rydberg couplées à une cavité circulante – MIRIARC

Les optiques à grande ouverture numérique ont initié une révolution dans le domaine des atomes froids, en permettant l’imagerie et le contrôle à haute résolution, vers des applications de simulations ou calculs quantiques, jusqu’au contrôle de tableaux d’atomes uniques. Leur combinaison avec des interactions via les états Rydberg en fait une technologie majeure pour le traitement quantique de l’information. Sa performance croît avec le nombre d’atomes, actuellement de quelques milliers, limité par des contraintes optiques et géométriques.
Ces obstacles sont surmontables en connectant optiquement des tableaux atomiques. Pour cela, il manque un dispositif pour intriquer efficacement un atome avec un photon optique, compatible avec des états Rydberg. En effet, les technologies les plus explorées pour coupler un atome à un photon utilisent des cavités de haute finesse ou des structures nanophotoniques, qui peinent à relever les défis de pertes optiques, de stabilité du couplage et de sensibilité des atomes de Rydberg à la proximité des surfaces.
Nous proposons un nouveau paradigme expérimental combinant des optiques à forte ouverture numérique avec une cavité circulante de finesse modérée et d’échelle centimétrique. Notre projet commencera par piéger un atome unique au sein de la cavité, pour continuer vers la physique des interactions entre cavité circulante et ensembles atomiques structurés à l’échelle de la longueur d’onde. Puis nous viserons à accélérer la détection d’états atomiques par trois ordres de grandeur. Avec notre dispositif innovant, nous réaliserons une source déterministe de photons uniques avec un objectif d’efficacité supérieure à 90%. Cette haute efficacité de génération de photon nous permettra d’intriquer efficacement un atome et un photon, formant la base technologique de futures interconnexions quantiques entre processeurs atomiques.
La réalisation de ces objectifs ouvrira des perspectives à la fois pour les processeurs quantiques industriels et pour la physique expérimentale de l’interaction matière-lumière. Au-delà de la durée du projet, notre système ouvrira de nouvelles voies pour l’optique quantique et pour la physique des atomes en interaction à courte et longue portée.