<p>When light exhibits particle properties, and when matter exhibits wave properties quantum mechanics is needed to describe physical phenomena. </p><p>A two-photon source produces nonmaximally entangled photon pairs when the source is small enough to diffract light. It is shown that diffraction degrades the entanglement. Quantum states produced in this way are used to probe the complementarity between path information and interference in Young's double slit experiment.</p><p>When two photons have a nonmaximally entangled polarization it is shown that the Pancharatnam phase is dependent on the entanglement in a nontrivial way. This could be used for implementing simple quantum logical circuits. </p><p>Magnetic traps are capable of holding cold neutral atoms. It is shown that magnetic traps and guides can be generated by thin wires etched on a surface using standard nanofabrication technology. These <i>atom chips</i> can hold and manipulate atoms located a few microns above the surface with very high accuracy. The potentials are very versatile and allows for highly complex designs, one such design implemented here is a beam splitter for neutral atoms. Interferometry with these confined de Broglie is also considered. These atom chips could be used for implementing quantum logical circuits.</p>

When light exhibits particle properties, and when matter exhibits wave properties quantum mechanics is needed to describe physical phenomena. A two-photon source produces nonmaximally entangled photon pairs when the source is small enough to diffract light. It is shown that diffraction degrades the entanglement. Quantum states produced in this way are used to probe the complementarity between path information and interference in Young's double slit experiment. When two photons have a nonmaximally entangled polarization it is shown that the Pancharatnam phase is dependent on the entanglement in a nontrivial way. This could be used for implementing simple quantum logical circuits. Magnetic traps are capable of holding cold neutral atoms. It is shown that magnetic traps and guides can be generated by thin wires etched on a surface using standard nanofabrication technology. These atom chips can hold and manipulate atoms located a few microns above the surface with very high accuracy. The potentials are very versatile and allows for highly complex designs, one such design implemented here is a beam splitter for neutral atoms. Interferometry with these confined de Broglie is also considered. These atom chips could be used for implementing quantum logical circuits.

Ce manuscrit présente deux réalisations d'un double puit magnétique pour des condensats de Bose-Einstein (CBE) sure une puce atomique. Une approche utilise des pièges statiques, crées par des micro fils (en amènent ?) manipulant les atomes proche a la surface de la puce. Comme dans toute manipes, on observe une fragmentation du nuage atomique, quand on approche les atomes vers la structure piégeant. Cet effet était expliqué par une déviation du courant dans le fil à cause d'une rugosité des bords. Pour éviter la fragmentation, une nouvelle technique de fabrication (lithographie a faisceaux a électrons, évaporation d'or) a été utilisé pour créer des fils d'un section de 700nm et une qualité amélioré. Un CBE a été crée et chargé dans le double puit généré par la nano structure. On a testé le double puit comme séparatrice avec des atomes thermiques. Des nombreuses problèmes techniques nous empêchent pour le moment d'effectuer la manip avec un CBE.<br />La deuxième approche poursuit dans cette thèse combine des pièges magnétique statique avec un champ (RF) magnétique alternant et génère un double puit dans le potentiel habillé. Car ce schéma peut être réalisé loin de la surface de la puce, la fragmentation n'apparaisse pas et on a pu séparer un CBE en deux. Une interféromètre d'ondes a matière est réalisé en recombinant les deux nuages en expansion libre. La figure d'interférence permet de mesurer la phase relative, on trouve une distribution étroite de cette phase et donc la séparation est cohérente. L'évolution de la phase relative est mesurée pendant et après la séparation et contrôlé par déséquilibrant le double puit.

The de Broglie-Bohm (BB) approach to quantum mechanics gives trajectories similar to classical trajectories except that they are also determined by a quantum potential. The quantum potential is a "fictitious potential" in the sense that it is part of the quantum kinetic energy. We use quantum trajectories to treat quantum chaos in a manner similar to classical chaos. For the kicked rotor, which is a bounded system, we use the Benettin et al. method to calculate both classical and quantum Lyapunov exponents as a function of control parameter K and find chaos in both cases. Within the chaotic sea we find in both cases nonchaotic stability regions for K equal to multiples of π. For even multiples of π the stability regions are associated with classical accelerator mode islands and for odd multiples of π they are associated with new oscillator modes. We examine the structure of these regions. Momentum diffusion of the quantum kicked rotor is studied with both BB and standard quantum mechanics (SQM). A general analytical expression is given for the momentum diffusion at quantum resonance of both BB and SQM. We obtain agreement between the two approaches in numerical experiments. For the case of nonresonance the quantum potential is not zero and must be included as part of the quantum kinetic energy for agreement. The numerical data for momentum diffusion of classical kicked rotor is well fit by a power law DNβ in the number of kicks N. In the anomalous momentum diffusion regions due to accelerator modes the exponent β(K) is slightly less than quadratic, except for a slight dip, in agreement with an upper bound (K2/2)N2. The corresponding coefficient D(K) in these regions has three distinct sections, most likely due to accelerator modes with period greater than one. We also show that the local Lyapunov exponent of the classical kicked rotor has a plateau for a duration that depends on the initial separation and then decreases asymptotically as O(t-1lnt), where t is the time. This behavior is consistent with an upper bound that is determined analytically.

Cette thèse porte sur l'étude de la production d'une source d'ionsCes travaux de thèse ont consisté à étudier la faisabilité d'une source d'ions césium brillante et de faible dispersion énergétique à partir d'atomes froids dans le but de la coupler à une optique de faisceau d'ions focalisés (FIB).Il s'agit de produire une source ionique continue, de fort courant et de plus faible dispersion en énergie que les sources actuellement utilisées. Un schéma expérimental innovant a donc été imaginé.Un flux continu d'atomes de césium est issu d'un four à recirculation. Les atomes sont ensuite collimatés et compressés en se basant su les techniques de refroidissement d'atomes par laser. Des simulations de la mélasse optique pour la collimation et du MOT-2D pour la compression sont présentées. Issus d'un jet effusif de césium produit par un four à recirculation, la collimation grâce à une mélasse optique et la compression effectuée en en utilisant un MOT-2D des atomes de césium a été étudiée. Le schéma d'ionisation des atomes de césium passe par une excitation vers un état de Rydberg puis par une ionisation par champ électrique. Les propriétés remarquables des atomes pour ces niveaux d'énergie permettent d'obtenir une ionisation des atomes en champ électrique quasi-instantanée qui permet la minimisation de la dispersion énergétique. Nous avons développer une simulation permettant d'étudier les propriétés du champ électrique nécessaire pour l'ionisation afin de choisir le niveau de Rydberg approprié. Des simulations complémentaires ont permis de définir et de concevoir les électrodes nécessaires à la production du champ électrique d'excitation et d'ionisation. Une première étude des effets coulombiens de la source d'ions lors de l'ionisation des atomes de Rydberg est présentée. Enfin, l'étude théorique du couplage de la source obtenue avec une optique de faisceaux d'ions focalisés est réalisée.Un montage expérimental vient compléter ces diverses études et a permis d'obtenir les premiers résultats. / The main goal of this thesis consists on studying the production of a bright ion cesium source with a low energy dispersion. In this work, the technology of cold atoms is used to coupled this source with optical elements of focused ion beams (FIB).A cw ionic source with high current and small energy spread is necessary to complete the performances of others available sources. A new experimenal scheme is presented here.A continuous high flux of cesium atoms is produced by a recirculating oven. The atoms are the collimated and compessed using laser cooling technology. Several simulations concerning the collimation and the compression have been made.A different way of producing ions comes from the excitation in an electric field of Rydberg atoms and then their ionization in an electric field. The remarkable properties of Rydberg atoms show the possibilty to ionize them almost instantanely reducing this way the energy spread. In the work several simulations indicate the way to choose the right Rydberg state for this application and the correct corresponding electric field.Further simulations determinate the electrdes needed for the excitation and the ionization of the Rydberg atoms from the beam. Moreover, a first study of the coulombian effects occuring in this ion source is described. Finally, a theorical study of the ion source and optic FIB coupling is shown.The description of the experimental setup and the first results complete this work.

Ce mémoire de thèse décrit la création expérimentale et la caractérisation d'une source de paires d'atomes corrélés. Cette source ajustable repose sur l'utilisation du mélange à quatre ondes dans un réseau optique. Les paires ainsi créées sont similaires aux paires de photons produites par conversion paramétrique et ouvrent la porte à la réalisation d'expériences élaborées d'optique atomique quantique. En plaçant un condensat de Bose-Einstein dans un réseau en mouvement, les conditions d'accord de phase sont vérifiées et des atomes jumeaux sont alors produits spontanément. Grâce à un détecteur d'atomes uniques résolu à trois dimensions nous avons pu caractériser la source de paires obtenue. Nous avons ainsi étudié en profondeur les conditions d'accord de phase, prouvant que les atomes sont diffusés de manière préférentielle dans deux fines classes de vitesses qui conservent l'impulsion et l'énergie. En modifiant la vitesse et la durée du réseau par rapport aux atomes, il est possible de choisir les modes de sorties et leurs populations ce qui rend ce processus ajustable. De plus, nous avons pu mettre en évidence l'importance des interactions et en particulier des effets de champ moyen qui viennent modifier la conservation de l'énergie. La détection d'atome unique permet également d'étudier les propriétés statistiques des atomes jumeaux, nous avons ainsi pu mettre en évidence de fortes corrélations entres les atomes issus d'une même paire. Nous avons également observé une réduction sous le bruit de grenaille du bruit sur la différence du nombre d'atomes dans les modes corrélés. Cette réduction est une indication forte du caractère non classique des paires produites / This thesis describes the experimental realization and characterization of a source of pairs of correlated atoms. This tunable source is based upon four waves mixing in an optical lattice. The created atomic pairs are similar to photon pairs made by parametric down conversion and open the way toward more elaborate quantum atom optic experiments. By placing a Bose-Einstein condensate in a moving optical lattice the phase matching conditions are fulfilled and twins atoms are spontaneously produced. Thanks to a single atom detector with three-dimensional resolution, we were able to characterize our source of pairs. By studying the phase matching conditions, we proved that the atoms are preferentially produced in two narrow velocity classes conserving both momentum and energy. By modifying the duration and the velocity of the lattice with respect to the atoms, one can tune the output modes and their populations providing a fully tunable process. Moreover, we have demonstrated the important effect of interactions -especially of mean field effects- that modifies the energy conservation. The single atom detection provided also a convenient way to look at statistical properties of the twins atoms: we have demonstrated strong correlation between atoms from the same pair and also we have observed a reduction below the shot noise of the noise on the number of atoms in correlated modes. Such a reduction is a strong indication of the non-classical nature of the produced atomic pairs.

Die Arbeit untersucht theoretisch die Wechselwirkung neutraler Teilchen (Atome, Moleküle) mit Oberflächen, soweit sie durch das elektromagnetische Feld vermittelt wird. Spektrale Energiedichten und Kohärenzfunktionen werden hergeleitet und liefern eine umfassende Charakterisierung des Felds auf der sub-Wellenlängen-Skala. Die Ergebnisse finden auf zwei Teilgebieten Anwendung: in der integrierten Atomoptik, wo ultrakalte Atome an thermische Oberflächen koppeln, und in der Nahfeldoptik, wo eine Auflösung unterhalb der Beugungsbegrenzung mit einzelnen Molekülen als Sonden und Detektoren erzielt werden kann. / We theoretically discuss the interaction of neutral particles (atoms, molecules) with surfaces in the regime where it is mediated by the electromagnetic field. A thorough characterization of the field at sub-wavelength distances is worked out, including energy density spectra and coherence functions. The results are applied to typical situations in integrated atom optics, where ultracold atoms are coupled to a thermal surface, and to single molecule probes in near field optics, where sub-wavelength resolution can be achieved.

Probing nonequilibrium dynamics in a trapped, inhomogeneous atomic quantum gas can be a challenging task because coexisting mass transport and spreading of quantum correlations often make the problem intractable. By removing density inhomogeneity in an atomic quantum gas and employing local control of chemical potential as well as interaction parameters, it is possible to perform quasi-particle control, initiate and probe collective quantum dynamics without or with a controlled mass flow. We report our experimental results toward quasi-particle control and nonequilibrium dynamics in a homogeneous two-dimensional quantum gas.

Ce mémoire de thèse décrit une expérience de création de paires d’atomes jumeaux par mélange à quatre ondes en présence d’un réseau optique. Ces atomes jumeaux sont analogues aux photons jumeaux obtenus par conversion paramétrique, lesquels ont été employés dans plusieurs expériences fondamentales d’optique quantique, ainsi que pour des applications en interférométrie et en information quantique. En raison de la relation de dispersion, l’accord de phase peut être obtenu quand les atomes se déplacent dans le réseau optique. Le mélange à quatre ondes qui se produit alors spontanément constitue un cas particulier d’instabilité dynamique. Nous avons réalisé cette expérience à partir d’un gaz dégénéré d’hélium métastable, obtenu dans un piège optique très allongé. On a superposé aux atomes un réseau optique en mouvement, qui est également décrit dans ce mémoire. Au moyen d’un détecteur d’atomes uniques résolu à trois dimensions, nous avons caractérisé le mélange à quatre ondes obtenu. Nous avons étudié les conditions d’accord de phase de ce processus, et les différents modes peuplés, montrant que la méthode que nous employons permet de diffuser préférentiellement les atomes dans deux fines classes de vitesse, que l’on peut ajuster et dont on contrôle les populations. Cette flexibilité facilitera l’utilisation des paires d’atomes pour des expériences futures. Au niveau de chacune de ces deux classes de vitesses, nous avons mesuré une corrélation de type Hanbury Brown et Twiss. Par ailleurs, nous avons démontré une réduction des fluctuations de la différence de population entre les deux classes sous le bruit de grenaille. La coexistence de ces deux effets témoigne du caractère non-classique des paires générées, qui pourront être exploitées pour des expériences d’optique atomique quantique, comme par exemple pour observer l’effet Hong-Ou-Mandel sur des atomes. / In this thesis, an experiment of correlated atom pairs production through four-wave mixing in an optical lattice is described. The twin atoms are analogous to the twin photons produced by parametric down conversion, used in many fondamental quantum optics experiments, and applied in interferometry and quantum information. Because of the dispersion relation, phase matching can be obtained when atoms move in a periodic potential. Four-wave mixing then spontaneously occurs and is a special case of dynamical instability. We performed the experiment with a degenerate metastable helium gas, obtained in a very elongated optical trap. A moving optical lattice, whose characterisation can also be found in the manuscript, was applied on the atoms. The resulting four-wave mixing was studied using a 3D-resolved single atom detector. The phase-matching conditions of this process and the populated modes were investigated. We showed that with our method atoms are preferentially scattered into two narrow classes with tunable velocities and populations. This versatility should be an advantage when using the pairs in future experiments. For each of these velocity classes, we mesured a Hanbury Brown and Twiss local correlation. Furthermore, we demonstrated relative number squeezing between both classes. These two simultaneous effects indicate the non-classicality of the generated pairs, which can be used in quantum atom optics experiments, for example to observe the Hong-Ou-Mandel effect with atoms.

Cette thèse décrit l'observation expérimentale de l'effet Hong-Ou-Mandel avec une sourceatomique ultra-froide. L’expérience originale réalisée en 1987 par C. K. Hong, Z. Y. Ou et L. Mandel illustre de façon simple une interférence à deux particules explicable uniquement par la mécanique quantique : deux particules bosoniques et indiscernables, arrivant chacune sur une face d'entrée différente d'une lame semi-réfléchissante ressortent ensemble. Cet effet se traduit par une réduction du taux de détection en coïncidence entre les deux voies de sortie quand les particules arrivent simultanément sur la lame. Cette expérience fut originalement réalisée avec des photons et nous rapportons ici la première mise en oeuvre expérimentale avec des particules massives se propageant dans l’espace libre.Après présentation des différentes techniques nécessaires à sa réalisation, nous décrivons cette expérience et analysons les résultats obtenus. En particulier, la réduction du taux de coïncidence est suffisamment forte pour exclure toute interprétation classique ; l'observation de cet effet constitue une brique fondamentale dans le domaine de l’information quantique atomique. / In this thesis, we report the first realisation of the Hong–Ou–Mandel experiment with massive particles in momentum space. This milestone experiment was originally performed in quantum optics: two photons arriving simultaneously at the input ports of a 50:50 beam-splitter always emerge together in one of the output ports. The effect leads to a reduction of coincidence counts which translates into a dip when particles are indistinguishable. We performed the experiment with metastable helium atoms where the specificities of the Micro-Channel-Plate detector allows one to recover the momentum vector of each individual atom.After listing the necessary tools to perform this experiment with atoms, the experimental sequence is discussed and the results are presented. In particular we measured a coincidence count reduction that cannot be explained through any simple classical model. This corresponds to the signature of a two-particle interference, and confirms that our atomic pair source produces beams which have highly correlated populations and are well mode matched. This opens the prospect of testing Bell’s inequalities involving mechanical observables of massive particles, such as momentum, using methods inspired by quantum optics. It also demonstrates a new way to produce and benchmark twin-atom pairs that may be of interest for quantum information processing.