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Theses Year : 2014

Towards deterministic preparation of single Rydberg atoms and applications to quantum information processing

Préparation déterministe d'atomes de Rydberg uniques pour des expériences d'information quantique

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Abstract

Rydberg atoms and superconducting cavities are remarkable tools for the exploration of basic quantum phenomena and quantum information processing. These giant atoms are blessed with unique properties. They undergo a strong distance-Dependent dipole-Dipole interaction that gives rise to the dipole blockade mechanism: in the Van der Waals regime, this energy shift scales as n11, where n is the principal quantum number. If we shine an excitation laser tuned at the frequency of the isolated atomic transition on an atomic cloud, we expect to excite at most one atom within a blockade volume of ⇠ 8(μm)3. We have set up an experiment to prepare deterministically one Rydberg atom. It uses a small cloud of ground-State Rubidium 87 atoms, magnetically trapped on a superconducting atom chip at 4 K, and laser-Excited to the Rydberg states. The dipole blockade effect is sensitive to the line broadening due to the stray electric fields. Once an atom has been excited to our target state HH 60S1/2↵, we explore the narrow millimeter-Wave transitions between Rydberg states in order to assess these stray fields . With a gold-Coated front surface for the chip, we observe as other groups large field gradients due to slowly deposited Rubidium atoms. We circumvent this problem by coating the chip with a metallic Rubidium layer. This way the gradients are reduced by an order of magnitude. This improvement allows us to observe extremely high coherence times, in the millisecond range, for Rydberg atoms near a superconducting atom-Chip. Theoretically, we present a simple scheme for the fast and efficient generation of quantum superpositions of two coherent fields with different classical amplitudes in a cavity. It relies on the simultaneous interaction of two two-Level atoms with the field. Their final detection with a high probability in the proper state projects the field onto the desired mesoscopic field state superposition (MFSS). We show that the scheme is notably more efficient than those using a single atom. This work is done in the context of cavity QED, where the two-Level systems are circular Rydberg atoms whose lifetime may reach milliseconds, interacting with the field of a superconducting microwave cavity. But this scheme is also highly relevant for the thriving field of circuit-QED. In both contexts, it may lead to interesting experimental studies of decoherence at the quantum-Classical boundary.
Les atomes de Rydberg couplés à des cavités supraconductrices sont des outils remarquables pour l’exploration des phénomènes quantiques élémentaires et des protocoles d’information quantique. Ces atomes «géants» ont des propriétés uniques. Ils sont soumis à une forte interaction dipôle-Dipôle, fonction de la distance interatomique, qui est responsable du mécanisme de blocage dipolaire : dans le régime de Van der Waals, l’énergie d’interaction croît comme n11, où n est le nombre quantique principal. Si on illumine un nuage atomique avec un laser d’excitation à la fréquence de la transition de Rydberg pour un atome isolé, on s’attend à exciter au plus un atome dans un volume de blocage de ⇠ 8(μm)3. Nous avons mis en place une expérience pour préparer un atome de Rydberg de façon déterministe. Elle utilise un petit nuage d’atomes de rubidium 87 dans l’état fondamental, piégés magnétiquement sur un puce à atomes supraconductrice à 4 K, et excités à l’aide de lasers vers les états de Rydberg. L’effet de blocage dipôlaire est sensible à l’élargissement spectral de la transition par des champs électriques parasites. Une fois unatome excité dans l’état cible 60S1/2↵, nous explorons les transitions atomiques étroites, de longueur d’onde millimétrique, entre états de Rydberg pour étudier ces champs parasites. La surface de notre puce étant couverte d’une pellicule d’or, nous observons comme d’autres groupes de recherche de forts gradients de champs électriques, dus au dépôt progressif d’atomes de rubidium à la surface de la puce. Nous contournons le problème, en déposant une couche de rubidium métallique sur la puce. Les gradients sont alors réduits d’un ordre de grandeur. Cette amélioration nous permet d’observer des temps de cohérence très élevés, de l’ordre de la milliseconde, pour des atomes de Rydberg au voisinage d’une puce supraconductrice.Sur le plan théorique, nous présentons un protocole simple pour la création rapide et efficace de superpositions quantiques de deux champs cohérents d’amplitudes classiques différentes dans une cavité. Il repose sur l’interaction de deux atomes à deux niveaux avec le champ dans la cavité. Leur détection avec une grande probabilité dans un état bien défini projette le champ dans une superposition mésoscopique d’états du champ. Nous montrons que ce protocole est nettement plus efficace que ceux utilisant un seul atome. Nous réalisons cette étude dans le contexte de l’électrodynamique en cavité (CQED), où les atomes à deux niveaux sont des atomes de Rydberg de grand temps de vie interagissant avec le champ d’une cavité micro-Ondes supraconductrice. Mais ce travail peut également s’appliquer au domaine en plein essor de l’électrodynamique quantique des circuits. Dans ces deux contextes, il peut conduire à d’intéressantes études expérimentales de la décohérence à la frontière quantique-Classique.
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tel-01165050 , version 1 (18-06-2015)

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  • HAL Id : tel-01165050 , version 1

Cite

Carla Hermann Hermann Avigliano. Towards deterministic preparation of single Rydberg atoms and applications to quantum information processing. Quantum Physics [quant-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI; Universidad de Concepción (Chili), 2014. English. ⟨NNT : 2014PA066351⟩. ⟨tel-01165050⟩
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