Le projet de recherche doctoral se situe dans le contexte des technologies quantiques utilisant des plateformes atomiques, où l’information intéressante est codée dans les degrés de liberté internes (états d’énergie) d’un ensemble atomes. Il peut s’agir d’atomes froids, dans le régime dégénérés (condensats de Bose-Einstein ou gaz de Fermi dégénérés) ou non dégénéré, ou même de vapeurs ou gaz à température ambiante en cellule. Le point important étant un découplage efficace entre les degrés de liberté internes que l’on veut utiliser et les degrés de liberté externes (de mouvement) des atomes. Concernant en particulier la métrologie quantique [1], où on veut créer des correlations quantiques entre les spins décrivant les degrés de liberté internes des atomes pour améliorer la sensibilité de mesures (il peut s’agir de la mesure d’un temps ou d’une fréquence comme dans les horloges atomiques, ou de la mesure d’un champ extérieur magnétique, micro-onde ou autre), la plus part des études et des réalisations expérimentales se sont concentrées sur le cas d’ensembles d’atomes à deux niveau (spin 1/2). Notre projet propose d’élargir considérablement le spectre des systèmes et des applications accessibles en introduisant un éléments encore peu exploré : des atomes à grand spin dans l’état fondamental.

Une première partie du travail de recherche, aura l’objectif de développer de nouveaux outils théoriques pour caractériser l’intrication utile en métrologie dans ces systèmes de q-dits, en particulier pour le cas de l’estimation multiparamètres, et pour trouver des schémas de génération d’intrication qui exploitent ces degrés de liberté additionnels. Pur cette partie, nous avons le projet de collaborer avec Irénée Frérot (LKB-Jussieu), avec qui un co-encadrement de la thèse serait envisageable. Une deuxième partie sera menée en collaboration avec des groupes expérimentaux, dans le but d’aider les expérimentateurs d’une part et de pouvoir mettre les études théoriques à l’épreuve de la réalité expérimentale d’autre part. Nous avons derrière nous plusieurs collaborations fructueuses avec des expérimenteurs. Pour ce projet nous avons déjà noués des liens notamment avec les équipes du LKB Collège de France (Sylvain Nascimbene et Raphaël Lopez), du Laboratoire Physique des Laser (LPL) à Villetaneuse (Bruno Laburthe et Martin de Saint-Vincent) et avec l’équipe de Philipp Treutlein à l’Université de Bâle en Suisse.

Nous allons dans la suite esquisser trois directions de recherche qui seront explorées dans notre projet.

2.0.1. Génération et étude d’états hautement intriqués dans un système protégé contre la décohérence

L’un des défis les plus difficiles à relever pour la génération et l’utilisation d’états intriqués est la possibilité de protéger l’état de la décohérence pendant toute la durée nécessaire à sa préparation et à son utilisation. Maintenus dans des pièges immatériels de lumière et bien isolés de l’environnement, les gaz quantiques d’atomes froids constituent à ce fin une plateforme idéale. Le groupe de Sylvain Nascimbene au Collège de France a réussi l’exploit de créer des états très non classiques de type chat de Schödinger dans le spin F = 8 d’atomes de dysprosium, les corrélations quantiques étant “à l’intérieur” de chaque atome, les différents atomes étant indépendants [2]. Ils ont maintenant le projet d’utiliser les interactions entre atomes dans un petit condensat de Bose-Einstein dans un piège optique pour corréler les atomes différents, créant des états comprimés du spin collectif et d’autres états quantiques utiles en métrologie. Pour aider ce projet, dont le but est est la réalisation emblématique d’états de superposition macroscopiques impliquant une centaine d’atomes individuels, nous pourrons mettre à profit et étendre des travaux théoriques sur la formation de superpositions macroscopiques à l’aide d’interactions à courte portée entre atomes froids dans un condensat de Bose-Einstein, qui mettent particulièrement l’accent sur la décohérence et les différentes stratégies possibles pour limiter son effet [3]. Une des questions est dans quelle mesure le fait d’avoir déjà un état non-classique au niveau des atomes individuels de grand spin affecte et éventuellement favorise la réalisation d’états de superposition macroscopiques.

2.0.2. États filés dans les réseaux optiques pour les horloges atomiques

Un deuxième aspect essentiel pour les technologies quantiques est la compatibilité du schéma conçu pour la création et l’utilisation de l’intrication avec les dispositifs expérimentaux existants, par exemple les horloges atomiques ou les capteurs atomiques dans le cas de la métrologie. De ce point vu, l’expérience du groupe au LPL avec qui nous allons collaborer, utilisant des atomes de strontium dans un réseau optique, constitue une plateforme idéale, naturellement compatible avec des dispositifs d’horloges atomiques, ou même des réseaux de capteurs pour la mesure (estimation multi-paramètres) d’un champ étendu [4]. Dans ce contexte, nous voulons étudier théoriquement une méthode pour créer de l’intrication pour les atomes dans les réseaux optiques basée sur les interactions entre les atomes dans la phase superfluide [5, 6] mais adaptée à des atomes de spin de grande taille et éventuellement à des espèces fermioniques. L’avantage de cette méthode par rapport aux méthodes utilisant les interactions premier-voisin dans les modèles basés sur les réseaux est qu’elle a naturellement un couplage de type “all-to-all” et n’introduit pas de constantes de couplage perturbatives qui rendent le processus d’intrication intrinsèquement lent. Dans ce cadre, la présence de différents états de spin combinée à la possibilité de manipuler le spin avec la lumière offre une plateforme extrêmement riche et prometteuse.

2.0.3. Compression de spin nucléaire dans un gaz hélium à température ambiante

Alors que des états de spin comprimé ont déjà été obtenus avec des gaz alcalins, le but de ce projet est de comprimer les spins nucléaires dans un gaz d’hélium dans son état fondamental, le gaz étant en cellule à température ambiante. Utilisés dans diverses applications allant des capteurs inertiels à la physique fondamentale [7, 8], les spins nucléaires de l’hélium dans leur état fondamental, séparés de 20 eV du premier état excité et bien protégés par une orbitale électronique remplie, ont la particularité d’avoir un temps de cohérence très long, de l’ordre de plusieurs dizaines d’heures. La contrepartie de cette propriété exceptionnelle de l’hélium est une difficulté d’accès aux spins nucléaires. Grâce à une étude théorique [9, 10], nous avons cependant montré que les collisions d’échange de métastabilité (qui couplent l’état fondamental à un état métastable de l’hélium) combinées à l’interaction d’atomes métastables avec un champ électromagnétique dans une cavité, peuvent être utilisées pour manipuler les spins nucléaires de l’hélium au niveau quantique et préparer un état comprimé de spin. Actuellement en vu d’une réalisation expérimentale qui pourrait être menée dans le groupe de Philipp Treutlein à l’université de Bâle, nous affinons actuellement le modèle théorique en prenant en compte tous les niveaux de l’état excité 2³ P et de l’état métastable 2³S dans l’interaction entre la lumière et les atomes. Pour avoir une description au niveau quantique des variables atomiques du système nous voulons utiliser l’approche décrite dans [11] qui étend l’approximation dite de Holstein-Primakoff qui décrit les fluctuations des composantes transverses du spin collectif comme un oscillateur harmonique quantique, au cas d’un spin F > 1/2 (ce qui est le cas de l’état méstastable de l’hélium F = 3/2).

D’un point de vus théorique plus général nos études sur l’intrication et métrologie quantique avec des système atomiques de grand spin, concernent l’intrication et l’utilisation de q-dits et vont naturellement au delà des systèmes atomiques. Ils pourront notamment bénéficier à d’autres communautés qui développent l’information quantique, la métrologie quantique et la communication quantique, notamment pour les mémoires quantiques, dans des plateformes variés incluant les systèmes optiques et les systèmes de matière condensée.

1. [1] ‘Spin-squeezed states for metrology". A. Sinatra Applied Physics Letters, Perspective Letter 120, 120501 (2022). https://doi.org/10.1063/5.0084096
2. [2] “Quantum-enhanced sensing using non-classical spin states of a highly magnetic atom", T. Chalopin, C. Bouazza, A. Evrard, V. Makhalov, D. Dreon, J. Dalibard, L. A. Sidorenkov, S. Nascimbene, Nat. Comm. 9, 4955 (2018).
3. [3] “Mesoscopic quantum superpositions in bimodal Bose-Einstein condensates : Decoherence and strategies to counteract it" K. Pawłowski, Matteo Fadel, Philipp Treutlein, Y. Castin, et A. Sinatra, Phys. Rev. A 95, 063609 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.95.063609
4. [4] “Quantum-enhanced multiparameter estimation and compressed sensing of a field." Y. Baamara, M. Gessner, A. Sinatra, SciPost Physics 14, 050 (2023) https://scipost.org/SciPostPhys.14.3.050
5. [5] “Spin-squeezed atomic crystal" Dariusz Kajtoch, Emilia Witkowska, Alice Sinatra, Europhys. Lett 123, 20012 (2018). https://doi.org/10.1209/0295-5075/123/20012
6. [6] “Producing and storing spin-squeezed states and Greenberger-Horne-Zeilinger states in a one-dimensional optical lattice" M. Plodzien, M.Koscielski, E. Witkowska, A. Sinatra, Phys. Rev. A 102, 013328 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevA.102.013328
7. [7] “Ultra-sensitive magnetometry based on free precession of nuclear spins", C. Gemmel, W. Heil, S. Karpuk, K. Lenz, C. Ludwig, Y. Sobolev, K. Tullney, M. Burghoff, W. Kilian, S. Knappe-Grüneberg, W. Müller, A. Schnabel, F. Seifert, L. Trahms, S. Baeßler, Eur. Phys. J. D 57, 303 (2010).
8. [8] “Resonantly Detecting Axion-Mediated Forces with Nuclear Magnetic Resonance", A. Arvanitaki, A. Geraci, Phys. Rev. Lett. 113, 161801 (2014).
9. [9] “Nuclear spin squeezing in Helium-3 by continuous quantum non demolition measurement " A. Serafin, M. Fadel, P. Treutlein, A. Sinatra, Phys. Rev. Lett 127, 013601 (2021).
10. [10] “Etude théorique de la compression de spin nucléaire par mesure quantique non destructive en continu " A. Serafin, Y. Castin, M. Fadel, P. Treutlein, A. Sinatra, Comptes Redus Physique 22, 1 (2021).
11. [11] “Multilevel Holstein-Primakoff approximation and its application to atomic spin squeezing and ensemble quantum memories" Z. Kurucz and K. Mølmer, Phys. Rev. A, 81, 032314 (2010).