Interactions between rubidium atoms in Rydberg states, and entanglement using Rydberg blockade

Interactions entre atomes de rubidium dans des états de Rydberg et intrication par blocage de Rydberg

Charles Evellin (1)

1 Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d'Optique / Optique quantique

Awareness of entanglement arised in quantum mechanics as Einstein, Poldosky and Rosen questionned the completeness of quantum mechanics theory. As demonstrations of this phenomenon became more and more convicing, physicists began to use it to process information for quantum information and quantum computation applications. In the latter, experimentalists have been able to provide proofs of principle, but now face the challenge to scale up the number of carriers of information while keeping a complete control over them. This thesis contributes to this general framework. We present here an experiment where manipulation of two cold rubidium atoms individually trapped in optical tweezers allows us to study their dipole-dipole interaction when excited in a Rydberg state. We demonstrate the phenomenon of Rydberg blockade and use it to entangle the two atoms. Finally we present our measurements of the interaction between atoms, supported by our theoretical models, to discuss the limitations of our experiment.

Initialement posée en tant que paradoxe de savoir si la mécanique quantique est une théorie complète ou non, l'intrication entre systèmes physiques est devenue aujourd'hui un moyen de traiter l'information. De cet étrange lien entre information et état quantique est née l'information quantique, que les physiciens essaient de mettre en ÷uvre à travers des protocoles de communication ou de calcul quantique. Si les concepts de base ont été démontrés, le défi majeur actuellement est notre capacité à augmenter le nombre de porteurs de l'information sans perdre cette dernière. Le cadre de cette thèse s'inscrit dans cette démarche. Nous présentons une expérience de manipulation d'atomes froids de rubidium, piégés individuellement dans des pinces optiques, dont nous activons l'interaction en les excitant dans des états de Rydberg pour réaliser une opération d'intrication. Nous démontrons également le phénomène de blocage de Rydberg nécessaire à l'intrication entre les deux atomes. Enfin nous présentons nos mesures de l'interaction entre atomes, appuyées par nos modèles théoriques, pour discuter des limites de notre expérience.

Mots clés: Entanglement; Single atom manipulation; Rydberg atoms; Dipoledipole interactions; Rabi oscillations; Raman transitions; Optical tweezers

Mots clés: Intrication; Manipulation d'atomes uniques; Atomes de Rydberg; Interactions dipôle-dipôle; Oscillations de Rabi; Transition Raman; Pince optique

Domaines: Optique [physics.optics]

Charles Evellin. Interactions entre atomes de rubidium dans des états de Rydberg et intrication par blocage de Rydberg. Optique [physics.optics]. Ecole Polytechnique X, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00648095⟩