Single trapped atom internal state control and two-photon interference experiments : towards quantum computing with neutral atoms - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2007

Single trapped atom internal state control and two-photon interference experiments : towards quantum computing with neutral atoms

Contrôle de l'état interne d'un atome unique piégé et expériences d'interférences à deux photons : vers l'information quantique avec des atomes neutres

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Abstract

Neutral atoms are good candidates for quantum information processing. This thesis reports experiments done in this context using single rubidium atoms that are trapped individually in microscopic size optical tweezers. These tweezers are obtained by strongly focusing a laser beam. We show that one can individually control the internal state of the atom using two-photon Raman transitions between two fundamental hyperfine states. We observe Rabi oscillations between these two levels at frequencies as high as a few megahertz. We also study the coherence of this system through Ramsey fringes and spin-echo experiments and report coherence times of a few tens of milliseconds. Moreover, with the perspective of demonstrating the realisation of a quantum register, we show that one can displace an atom in an optical tweezer, and transfer it from one tweezer to a second tweezer while preserving the coherence and without any heating. In addition, in order to carry out conditional entanglement between two atoms, we study the photon emission of these atoms. We show that these atoms are an efficient triggered single-photon source and describe two-photon interferences experiments between two photons emitted by two independent atoms. These quantum interferences demonstrate the indistinguishability of the emitted photons.
Les atomes neutres sont de bons candidats pour la réalisation de protocoles d'information quantique. Cette thèse présente des expériences effectuées dans cette perspective sur des atomes individuels de rubidium piégés dans des pinces optiques de taille microscopique. Ces pinces sont obtenues en focalisant un faisceau laser sur une taille inférieure à un micromètre. Nous montrons que l'on peut contrôler l'état de chaque atome individuellement en faisant des transitions Raman à deux photons entre deux niveaux hyperfins de l'état fondamental. Nous observons des oscillations de Rabi entre ces deux niveaux à des fréquences pouvant atteindre plusieurs mégaHertz. Nous étudions aussi la cohérence de ce système par des expériences de franges de Ramsey et d'écho de spin. Des temps de cohérence de plusieurs dizaines de millisecondes sont mesurés. De plus, dans le but de manipuler des atomes dans un registre quantique, nous démontrons le déplacement d'une pince optique contenant un atome et le transfert de celui-ci d'une pince dans une autre sans perte de cohérence ni chauffage. Finalement, en vue de réaliser l'intrication conditionnelle de deux atomes, nous étudions l'émission de photons par ces atomes piégés. Nous montrons que ces atomes sont des sources de photons uniques déclenchables efficaces et nous décrivons l'observation d'interférences à deux photons entre deux photons uniques émis par deux atomes voisins indépendants. Ces interférences quantiques prouvent l'indiscernabilité des photons émis par chaque atome.
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Dates and versions

tel-00185446 , version 1 (06-11-2007)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00185446 , version 1

Cite

Jérôme Beugnon. Contrôle de l'état interne d'un atome unique piégé et expériences d'interférences à deux photons : vers l'information quantique avec des atomes neutres. Physique Atomique [physics.atom-ph]. Université Paris Sud - Paris XI, 2007. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00185446⟩
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