La détection des états d'un qubit est un élément essentiel dans la réalisation d'expériences d'information quantique. Dans le système étudié, le bit quantique est codé dans les états d'énergie interne d'un atome de Rydberg circulaire à deux niveaux. Dans ce mémoire nous présentons une nouvelle technique de détection des atomes de Rydberg circulaires basée sur l'interaction dispersive d'un atome avec un champ micro-onde mésoscopique à l'intérieur d'une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité. L'indice de réfraction de l'atome, dépendant de son niveau d'énergie interne, déphase le champ micro-onde, et une procédure de détection homodyne transforme l'information codée dans la phase du champ en une information d'intensité. L'intensité finale du champ est lue par un échantillon mésoscopique d'atomes. Il s'agit d'une technique de détection non destructive, puisque le processus de détection n'ionise pas l'atome, mais le projette simplement dans l'état mesuré. De plus, le processus de détection intrique l'état interne d'un atome au niveau d'excitation d'un ensemble de plusieurs atomes, permettant de créer des superpositions cohérentes d'états atomiques mésoscopiques et ouvrant de nouvelles perspectives pour des tests de décohérence Nous présentons le principe de la technique et de nombreux résultats expérimentaux, ainsi que de possibles schémas d'application.

Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique. / This thesis focuses on the experimental realisation of an artificial atom with a V-shape energy level diagram.Inspired by trapped-ion experiments, we theoretically predict an ultra fast and high fidelity quantum nondestructive readout of qubit state by using the V-shape artificial atom in a circuit quantum electrodynamicsarchitecture.To realise this experiment, we have developed an experimental setup to perform transmission measurementsof our superconducting quantum circuits by heterodyne technique at very low temperatures (30mK) and verylow signal amplitude (fW). We also implemented a hardware and software environment enabling multi-tonespectroscopies and time-resolved measurements in order to control the quantum state of the artificial atomand the coherent field in the resonator. In addition, in order to optimise the experiment circuits we havecharacterised quarterwave microwave resonators made from aluminium and epitaxial rhenium thin films.The original quantum device is fabricated by two inductively coupled transmons. When the couplinginductance is of the order of the Josephson inductance, we observe “in-phase” and “out-of-phase” oscillatingmodes of the superconducting phase across the junctions. The energy spectrum of the system, measured bytwo-tone spectroscopy, is magnetic flux dependent. It is precisely described by our theoretical model leadingto an accurate determination of the circuit parameters. Because of their anharmonicity, in the low-energylimit, the two modes can be considered as two-level systems called qubits. At zero magnetic field, it hasbeen observed that the two qubits become coupled only by a cross-anharmonicity. This has been revealed,through three-tone spectroscopy, by a conditional frequency shift as large as 115MHz of one qubit transitiondepending on the other qubit state. All these experimental results demonstrate a V-shape energy diagram forour artificial atom which paves the way to an original and high performance read-out

L'interaction entre la lumière et la matière est au coeur de la physique quantique depuis ses origines. Nous nous intéressons ici à l'interaction entre les excitations élémentaires d'une hétérostructure semi-conductrice (excitons de boîtes et de puits quantiques) et le mode du champ d'une cavité Fabry Perot fibrée. Nous présentons une caractérisation des propriétés géométriques et spectrales des modes de la micro-cavité fibrée plan-concave. Cette dernière est entièrement ajustable et cette nouvelle approche nous permet d'étudier plusieurs régimes de l'électrodynamique quantique d'émetteurs solides en cavité. Pour une boîte quantique unique dans une micro-cavité fibrée nous obtenons un couplage à la limite du régime de couplage fort et une coopérativité supérieure à l'unité, traduisant le potentiel d'un tel système pour des applications dans le domaine de l'information quantique. Pour un puits quantique dans une micro-cavité fibrée, le couplage obtenu est comparable a celui observé dans des structures intégrées et permet d'étudier plusieurs aspects de la physique des polaritons confinés optiquement. Ces derniers, issus du couplage fort d'un exciton et d'un photon, possèdent un temps de vie relativement long qui permet d'étudier les propriétés thermodynamiques du système. Le rôle du désordre dans le puits quantique est explicité. Cela nous permet d'interpréter la non-linéarité de la photoluminescence des polaritons avec la puissance de pompe en termes de transition de Dicke. Enfin, le confinement optique des polaritons, permet d'étudier le rôle des interactions entre polaritons et ouvre la voie vers un régime de blocage quantique de polariton.

Les mesures habituelles en optique détruisent les photons<br />incidents pour convertir leur énergie en un signal détectable.<br />Cette destruction n'est cependant pas imposée par les lois<br />quantiques fondamentales et des stratégies de mesure quantique<br />non-destructive ont été proposées qui permettent la mesure répétée<br />de champs électromagnétiques. Nous présentons la détection sans<br />absorption d'un seul photon stocké dans une cavité micro-onde<br />supraconductrice. Nous utilisons à cette fin des atomes de Rydberg<br />circulaires, très fortement couplés au champ. Durant son<br />interaction avec le mode de la cavité, un atome est capable<br />d'absorber un photon puis de le réémettre. Il s'agit des<br />oscillations de Rabi quantiques. À la fin de ce cycle<br />absorption--émission, le photon est encore présent dans la cavité<br />mais le système atome--champ a gardé une trace de son évolution<br />dans la phase de sa fonction d'onde qui a tourné de 180°. Nous<br />détectons ce déphasage grâce à un dispositif d'interférométrie<br />atomique. Un ensemble d'expériences permet de prouver les<br />corrélations entre l'atome et l'état du champ et le caractère<br />non-destructif de la mesure. Une analyse précise des performances<br />du dispositif et de ses applications possibles pour l'optique<br />quantique est menée.

This thesis focuses on two problems in circuit quantum electrodynamics. We first investigate theoretically the coupling of a resonator to a continuous distribution of inhomogeneously broadened emitters. Studying this formalism is strongly motivated by recent proposals to use collections of emitters as quantum memories for individual excitations. Such systems benefit from the collective enhancement of the interaction strength, while keeping the relaxation properties of a single emitter. We discuss the influence of the emitters inhomogeneous broadening on the existence and on the coherence properties of the polaritonic peaks. We find that their coherence depends crucially on the shape of the distribution and not only on its width. Taking into account the inhomogeneous broadening allows to simulate with a great accuracy a number of pioneer experimental results on a ensemble of NV centers. The modeling is shown to be a powerful tool to obtain the properties of the spin ensembles coupled to a resonator. We also suggest an original Josephson qubit readout method based on a dc-SQUID with high loop inductance. This system supports a diamond-shape artificial atom where we define logical and ancilla qubits coupled through a cross-Kerr like term. Depending on the logical qubit state, the ancilla is resonantly or dispersively coupled to the resonator, leading to a large contrast in the transmitted microwave signal amplitude. Simulations show that this original method can be faster and have higher fidelity than methods currently used in circuit QED.

Cette thèse porte sur la réalisation expérimental d'un atome artificiel possédant un diagramme énergétique en forme de V. Inspiré par les expériences des ions piégés, nous avons théoriquement prédit une lecture ultra rapide et de haute fidélité de l'état d'un qubit en utilisant un atome artificiel en forme de V dans une architectures d'électrodynamiques de circuits quantique. Pour réaliser cette expérience, nous avons développé une installation expérimental pour effectuer des mesures de transmissions de nos circuits quantiques supra-conducteur par une méthode hétérodyne. Nous avons aussi mis en oeuvre un environnement matériel et logiciel permettant des spectroscopies multi-tons et des mesures résolus en temps afin de contrôler l'état quantique de l'atome artificiel et l'état de photon cohérent dans le résonateur. De plus nous avons caractérisé des résonateurs micro-ondes quart d'ondes fabriqués à partir d'Aluminium et de Rhénium épitaxié. Le dispositif quantique original est fabriqué en couplant inductivement deux transmons. Lorsque le couplage inductif est de l'ordre de grandeur de l'inductance Josephson, nous observons des modes d'oscillations "en-phase" et "hors-phase" de la phase à travers les jonctions. Le spectre d'énergie du système, mesuré par des spectroscopies deux-tons, est précisément décrit par notre modèle analytique. Dans la limite des excitations de petites énergies, les deux modes peuvent être considérés comme des simples systèmes à deux niveaux appelés ci-après qubits. A zéro champ magnétique, il a été observé que les deux qubits deviennent couplés uniquement par une anharmonicité croisée. Cela a été révélé, à travers des spectroscopies trois-tons, par un décalage conditionnel de la fréquence de transition d'un qubit dépendant de l'état de l'autre qubit aussi grand que 115 MHz. Tous ces résultats expérimentaux démontrent un diagramme énergétique en V pour notre atome artificiel ce qui ouvre la voie pour des expérience originales dans le domaine de l'électrodynamique quantique. / This thesis focuses on the experimental realisation of an artificial atom with a V-shape energy level diagram.Inspired by trapped-ion experiments, we theoretically predict an ultra fast and high fidelity quantum nondestructive readout of qubit state by using the V-shape artificial atom in a circuit quantum electrodynamicsarchitecture.To realise this experiment, we have developed an experimental setup to perform transmission measurementsof our superconducting quantum circuits by heterodyne technique at very low temperatures (30mK) and verylow signal amplitude (fW). We also implemented a hardware and software environment enabling multi-tonespectroscopies and time-resolved measurements in order to control the quantum state of the artificial atomand the coherent field in the resonator. In addition, in order to optimise the experiment circuits we havecharacterised quarterwave microwave resonators made from aluminium and epitaxial rhenium thin films.The original quantum device is fabricated by two inductively coupled transmons. When the couplinginductance is of the order of the Josephson inductance, we observe “in-phase” and “out-of-phase” oscillatingmodes of the superconducting phase across the junctions. The energy spectrum of the system, measured bytwo-tone spectroscopy, is magnetic flux dependent. It is precisely described by our theoretical model leadingto an accurate determination of the circuit parameters. Because of their anharmonicity, in the low-energylimit, the two modes can be considered as two-level systems called qubits. At zero magnetic field, it hasbeen observed that the two qubits become coupled only by a cross-anharmonicity. This has been revealed,through three-tone spectroscopy, by a conditional frequency shift as large as 115MHz of one qubit transitiondepending on the other qubit state. All these experimental results demonstrate a V-shape energy diagram forour artificial atom which paves the way to an original and high performance read-out

Intermédiaire essentiel au dialogue entre théorie et vérification expérimentale, la mesure n'a de sens que si la précision des résultats est élevée. La métrologie en laboratoire s'attache à augmenter autant que possible la précision avec laquelle l'expérimentateur a accès à la valeur d'un paramètre. Le bruit quantique affectant la mesure impose une limite sur la précision maximale accessible à partir d'états quasi-classiques: la limite quantique standard (SQL). La métrologie quantique cherche à utiliser les caractéristiques propres à la mécanique quantique pour la dépasser et se rapprocher le plus possible de la limite ultime, physiquement non franchissable, appelée limite de Heisenberg. Dans ce mémoire, nous avons développé une stratégie de mesure d'un champ électromagnétique contenant moins d'un photon basée sur l'utilisation de corrélations atome-champ dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. L'idée est de mesurer l'amplitude de ce petit champ en sondant la perturbation qu'il introduit sur un état intriqué atome-champ mésoscopique déjà présent dans une cavité supraconductrice. Nous avons pu démontrer que le choix de notre mesure est, en principe, optimal grâce aux outils que sont l'information de Fisher (dépendant du processus de mesure) et l'information de Fisher dite quantique (qui elle n'en dépend pas), liées à la précision sur la mesure par des inégalités de type Cramér-Rao. Expérimentalement, nous avons très largement dépassé la précision obtenue sur l'amplitude du champ électromagnétique par une mesure classique et nous nous sommes rapprochés de la limite de Heisenberg autant que les imperfections expérimentales nous le permettaient. / As an essential intermediary between theories and their experimental proofs, measurement is meaningfull if the precision of its results is high. The main emphasis of metrology in laboratories is therefore on increasing as much as possible the precision of the experimental evaluation of a parameter. Quantum noise that affects the measurement establishes a quantitative limit on the maximal precision that can be achieved with classical states: the standard quantum limit (SQL). Quantum metrology aims at using quantum features to beat this limit and to approach the physically ultimate limit called Heisenberg limit. This thesis presents a measurement strategy for an electromagnetic field containing less than one photon, which is based on the use of atom-field correlations in a cavity quantum electrodynamics experiment. The idea is to measure the amplitude of the small field by probing the disturbance caused on an entangled mesoscopic state that is already stored in the superconducting cavity. We demonstrated that our measurement strategy is in principle optimal thanks to two tools: the Fisher information (that depends on the measurement process) and the quantum Fisher information (that does not), which define the precision tanks to Cramér-Rao like equations. The measurement signal subsequently largely exceeded the level of accuracy obtained with classical states and we got as closed to the Heisenberg limit as the experimental imperfections allowed us.

Dans cette thèse, nous démontrons la création et la caractérisation d'états intriqués dans un ensemble atomique à l'aide d'un résonateur optique de haute finesse. Notre dis- positif expérimental consiste en une cavité fibrée placée en dessous d'une puce à atomes. Les atomes sont tous piégés dans un seul ventre du piège dipolaire créé dans la cavité. Ainsi, ils sont également couplés au mode lumineux de la cavité. Nous présentons une méthode basée sur une mesure collective et non-destructive et une évolution conditionnelle qui sert à créer des états intriqués et symétriques puis à les analyser, avec la résolution d'une particule unique, en mesurant d'une manière directe leur fonction Husimi Q. En utilisant cette méthode, nous créons et caractérisons des états W contenant jusqu'à 41 atomes. Nous reconstituons la partie symétrique de la matrice densité à partir des données expérimentales de la fonction Husimi Q en utilisant différentes méthodes de reconstruction quantique et nous obtenons une fidélité de 0.42. Par ailleurs, nous avons établi un critère d'intrication qui consiste à comparer seulement deux populations de la matrice densité. Nous l'utilisons pour déterminer le degré d'intrication présent dans les états expérimentalement créés et nous trouvons que l'état de fidélité maximale contient au moins 13 particules intriquées. Pour finir, nous présentons des résultats préliminaires concernant des expériences de dénombrement d'atomes dans la cavité en régime de mesures non-destructives ainsi que des expériences de création d'états intriqués en se servant de la dynamique Zénon quantique. / In this thesis, we demonstrate the creation and characterization of multiparticle entangled states of neutral atoms with the help of a high finesse cavity. Our experimental setup consists of a fibre-based high finesse cavity above the surface of an atom chip. It allows us to prepare an ensemble of 87Rb atoms with well-defined atom number. The atoms are trapped in a single antinode of an intracavity standing wave dipole trap and are therefore all equally coupled to the cavity mode. We present a scheme based on a collective, quantum non-destructive (QND) measurement and conditional evolution to create symmetric entangled states and to analyze them at the single-particle level by directly measuring their Husimi Q function. We use this method to create and characterize W states of up to 41 atoms. From the tomography curve of the Q function, we reconstruct the symmetric part of the density matrix via different reconstruction techniques and obtain a fidelity of 0.42. Furthermore, we have devised an entanglement criterion which only relies on comparing two populations of the density matrix. We use it to infer the degree of multiparticle entanglement in our experimentally created states and find that the state with highest fidelity contains at least 13 entangled particles. In addition, we show preliminary results on experiments to count the atom number inside a cavity in the QND regime and to create entangled states via quantum Zeno dynamics.

Nous démontrons la création d'états intriqués dans un ensemble d’atomes neutres fondée sur la dynamique Zénon quantique (QZD), à l'aide d'un microrésonateur optique. Notre dispositif expérimental combine une puce à atomes avec une cavité Fabry-Perot fibrée (FFP) et nous permet de piéger un ensemble d’atomes de Rb87 dans un seul ventre d'un piège dipolaire créé dans la cavité. Les atomes sont couplés fortement et identiquement au mode lumineux de la cavité, ce qui permet une mesure non-destructive de leur état collectif.Nous réalisons la QZD en modifiant, par des mesures fréquentes, la dynamique induite par radiation micro-ondes. Nous démontrons que la QZD créé des états intriqués multiparticules de façon déterministe et rapide. Nous caractérisons ces états à l'aide de mesures de la fonction de Husimi Q, donnant accès à la partie symétrique de la matrice densité. Nous étudions l’évolution temporelle d'états impliquant un minimum de 3 à 11 atomes intriqués, qui présentent une fidélité par rapport à l'état W à 36 atomes atteignant 0.37. Nous étudions l'influence de la force de la mesure et des imperfections expérimentales et nous montrons que notre système est bien décrit par des modèles simples sans paramètres ajustables.Nous présentons aussi un travail réalisé en vue de l’amélioration des cavités FFP. Nous discutons notamment la limitation due à l'écart en fréquence des modes propres de polarisation dans des cavités formées par deux fibres optiques microfabriquées avec un laser CO2. Nous démontrons que cet effet dépend de la symétrie des structures microfabriquées et qu'il peut être contrôlé tant au niveau de la fabrication que pendant l'assemblage de la cavité. / In this thesis, we show how an optical microcavity setup can create multiparticle entanglement in an ensemble of neutral atoms by means of quantum Zeno dynamics (QZD).Our setup combines an atom chip with a fibre Fabry-Perot (FFP) resonator and allows us to load an ensemble of Rb87 atoms into a single node of an intracavity dipole trap, coupling the atoms strongly and identically to the cavity light field which enables us to perform a quantum non-destructive measurement of their collective state.We realise QZD by modifying the dynamics of the collective state (encoded in atomic hyperfine states addressed with MW radiation) by means of frequent cavity measurements at optical frequency. This QZD is shown to create multiparticle entanglement in a fast and deterministic scheme. To analyse the created states, we reconstruct the symmetric part of the atomic density matrix from 2d measurements of the ensemble's Husimi Q-distribution. We give a time-resolved account of the creation of states with at least 3-11 entangled atoms and fidelity of up to 0.37 with respect to a W state of 36 atoms. Studying the influence of measurement strength and experimental imperfections, we show that our experiments are well described by simple models with no free parameters.This thesis also presents work towards improved FFP cavities. We discuss the problem of frequency splitting of polarisation eigenmodes in cavities made from two fibres microfabricated with a CO2 laser. We show that this effect depends on the symmetry of the microfabricated structures and demonstrate that it can be controlled both at the level of fabrication and when assembling a cavity.

La communauté scientifique a réussi ces dernières années à bâtir des systèmes quantiques simples sur lesquels des séries de mesures sont acquises successivement le long de trajectoires quantiques et sans réinitialisation de l’état (opérateur densité) par l’expérimentateur.L’objet de cette thèse est d’adapter les méthodes de tomographie quantique (estimation d’état et de paramètres) à ce cadre pour prendre en compte la rétroaction de la mesure sur l’état, la décohérence et les imperfections expérimentales.Durant le processus de mesure, l’évolution de l’état quantique est alors gouvernée par un processus de Markov à états cachés (filtres quantiques de Belavkin). Pour des mesuresen temps continu, nous commençons par montrer comment discrétiser l’équation maîtresse stochastique tout en préservant la positivité et la trace de l’état quantique, et ainsi sera mener aux filtres quantiques en temps discret. Ensuite, nous développons, à partir de trajectoires de mesures en temps discret, des techniques d’estimation par maximum de vraisemblance pour l’état initial et les paramètres. Cette estimation est accompagnée de son intervalle de confiance. Lorsqu’elle concerne des valeurs de paramètres (tomographie de processus quantique), nous donnons un résultat de robustesse grâce au formalisme des filtres particulaires et nous proposons une méthode de maximisation fondée sur le calcul du gradient par l’adjoint et bien adaptée au cas multiparamétrique. Lorsque l’estimation porte sur l’état initial (tomographie d’état quantique), nous donnons une formulation explicite de la fonction de vraisemblance grâce aux états adjoints, montrons que son logarithme est une fonction concave de l’état initial et élaborons une expression intrinsèque de la variance grâce à des développements asymptotiques de moyennes bayésiennes et reposant sur la géométrie de l’espace des opérateurs densité.Ces méthodes d’estimation ont été appliquées et validées expérimentalement pour deux types de mesures quantiques : des mesures en temps discret non destructives de photons dans le groupe d’électrodynamique quantique en cavité du LKB au Collège de France, des mesures diffusives de la fluorescence d’un qubit supraconducteur dans le groupe d’électronique quantique du LPA à l’ENS Paris. / In recent years, the scientifical community has succeeded in experimentally building simple quantum systems on which series of measurements are successively acquired along quantum trajectories, without any reinitialization of their state (density operator) by the physicist. The subject of this thesis is to adapt the quantum tomography techniques (state and parameters estimation) to this frame, in order to take into account the feedback of the measurement on the state, the decoherence and experimental imperfections.During the measurement process, the evolution of the quantum state is then governed by a hidden-state Markov process (Belavkin quantum filters). Concerning continuous-time measurements, we begin by showing how to discretize the stochastic master equation, while preserving the positivity and the trace of the quantum state, and so reducing to discrete-time quantum filters. Then, we develop,starting from trajectories of discrete-time measurements, some maximum-likelihood estimation techniques for initial state and parameters. This estimation is coupled with its confidence interval. When it concerns the value of parameters (quantum process tomography), we provide a result of robustness using the formalism of particular filters, and we propose a maximization technique based on the calculus of gradient by adjoint method, which is well adapted to the multi-parametric case. When the estimation concerns the initial state (quantum state tomography), we give an explicit formulation of the likelihood function thanks to the adjoint states, show that its logarithm is a concave function of the initial state and build an intrinsic expression of the variance, obtained from asymptotic developments of Bayesian means, lying on the geometry of the space of density operators.These estimation techniques have been applied and experimentally validated for two types of quantum measurements: discrete-time non-destructive measurements of photons in the group of cavity quantum electro-dynamics of LKB at Collège de France, diffusive measurements of the fluorescence of a supra-conducting qubit in the quantum electronics group of LPA at ENS Paris.