Mesure non destructive et manipulation locales d’atomes de Rydberg circulaires en pinces optiques - Thèses ENS
Thèse Année : 2024

Local QND measurement and manipulation of circular Rydberg atoms in optical tweezers

Mesure non destructive et manipulation locales d’atomes de Rydberg circulaires en pinces optiques

Yohann Machu
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1487006

Résumé

We have recently proposed a new platform for quantum simulation using circular Rydberg atoms. These states combine high lifetimes and strong dipolar interactions, enabling the encoding of high-quality qubits. This thesis develops new tools critical to the operation of the simulator. It uses an experimental setup where we have previously observed the laser trapping of an array of single circular Rydberg atoms, developed a local destructive measurement technique, and then characterized the interaction between two circular Rydberg atoms. We first present the holographic techniques that allow us to trap an array of atoms in optical tweezers. These techniques include the generation of optical arrays and hollow beams, which are required for trapping Rydberg states. Methods for correcting aberrations are extensively discussed, with a focus on a new method that allows us to produce millimeter sized aberration-free arrays of optical tweezers using an aspherical lens. In the second part, we introduce protocols to perform QND (quantum non-demolition) measurement and manipulation of single circular Rydberg atoms. These protocols are based on the dipole blockade between the circular atom and an ancilla atom, induced by a Förster resonance. The QND measurement involves the entanglement between the two atoms and uses fluorescence imaging of the ancilla. We measure a fidelity better than 95%. By applying a local light shift to the ancilla atom, we can control its state and its ability to block a circular atom transition. We finally benchmark these new protocols by observing the flip-flop between two circular Rydberg atoms.
Notre équipe a récemment proposé une nouvelle plateforme pour la simulation quantique basée sur un réseau d’atomes de Rydberg circulaires. Ces états bénéficient à la fois de fortes interactions dipolaires et de longs temps de vie, permettant d’encoder des qubits de bonne qualité. Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la construction de ce simulateur. Précédemment, nous avons observé le piégeage par laser d’un réseau d’atomes de Rydberg circulaires, puis caractérisé l’interaction entre deux d’entre eux. Dans ce travail, nous présentons d’abord les techniques holographiques qui nous permettent de piéger un réseau d’atomes dans des pinces optiques. Ces techniques incluent la génération de réseaux optiques et de faisceaux creux, nécessaires pour piéger les états de Rydberg. Nous discutons largement des méthodes de correction des aberrations, en mettant l’accent sur une nouvelle méthode qui permet de produire des réseaux millimétriques de pinces optiques sans aberrations à l’aide d’une lentille asphérique. Dans une seconde partie, nous introduisons des protocoles pour effectuer une mesure non destructive (QND) et une manipulation locale d’atomes de Rydberg circulaires individuels. Ces protocoles sont basés sur le blocage dipolaire entre l’atome circulaire et un atome auxiliaire, induit par une résonance de Förster. La mesure QND implique l’intrication entre les deux atomes et l’imagerie par fluorescence de l’atome auxiliaire. En appliquant un déplacement lumineux local sur l’atome auxiliaire, nous pouvons contrôler son état et sa capacité à bloquer une transition microonde de l’atome circulaire. Nous testons finalement ces nouveaux protocoles en observant l’interaction d’échange entre deux atomes de Rydberg circulaires.
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Dates et versions

tel-04876125 , version 1 (09-01-2025)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04876125 , version 1

Citer

Yohann Machu. Mesure non destructive et manipulation locales d’atomes de Rydberg circulaires en pinces optiques. Physique [physics]. Sorbonne Université (Paris, France), 2024. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-04876125⟩
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