La nécessité de synchroniser les différentes étapes des protocoles d’information et de communication quantiques implique l’utilisation de mémoires quantiques. Différents systèmes physiques sont aujourd’hui explorés, parmi lesquels les ions en matrice cristalline, les atomes froids et les vapeurs atomiques. Le protocole de stockage le plus couramment utilisé se fonde sur le phénomène de Transparence Electromagnétiquement Induite (EIT) : une impulsion lumineuse est gravée dans la cohérence Raman entre les deux états fondamentaux d’un système atomique à trois niveaux en Lambda. Bien qu’elle ouvre des perspectives prometteuses, en termes d’efficacité, de fidélité et de temps de stockage, cette technique est néanmoins sensible aux effets déphasants, tels que des gradients de champs magnétiques.Dans ce mémoire, j’étudie tout d’abord le stockage d’impulsions lumineuses classiques par EIT dans une vapeur d’hélium métastable à température ambiante. Les résultats expérimentaux obtenus sont en accord avec les simulations numériques des équations de Maxwell-Bloch complètes du système et montrent notamment l’existence d’une phase supplémentaire acquise par l’impulsion restituée en configuration désaccordée. Cette phase s’explique par la propagation du faisceau sonde dans un milieu dispersif. Dans une deuxième partie, je mets expérimentalement en évidence, dans le même système, une nouvelle forme de stockage basée sur le phénomène d’Oscillations Cohérentes de Population (CPO), par nature plus robuste aux effets déphasants que l’EIT. Les simulations numériques permettent d’analyser plus précisément les mécanismes à l’œuvre dans une mémoire CPO et, notamment, l’influence de la phase relative entre les faisceaux signal et de couplage sur les efficacités de stockage. / The need to synchronise quantum information and communication protocols implies the use of quantum memories. Different physical systems are investigated nowadays, among which ions in crystals, cold atoms and atomic vapours. The most common protocol is based on the Electromagnetically Induced Transparency (EIT) phenomenon: a light pulse is engraved in the Raman coherence of both ground states of an atomic Lambda–type three-level system. Though it opens promising perspectives, with respect to efficiency, fidelity and storage time, this technique is, however, sensitive to dephasing effects such as magnetic field gradients.In this thesis, I first study the storage of classical light pulses via EIT in a room- temperature metastable helium vapor. The obtained experimental results agree with the numerical simulation of the complete Maxwell-Bloch equations of the system. In particular, the existence of an extra phase acquired by the retrieved pulse is demonstrated in the detuned configuration, which can be explained by the propagation of the signal beam in the medium. In the second part, I experimentally isolate, in the same system, a new storage protocol based on the Coherent Population Oscillation (CPO) phenomenon, which is by nature more robust than EIT to dephasing effects. The numerical simulations allow us to precisely analyse the mechanisms involved in a CPO memory and, in particular, the influence of the relative phase between the signal and coupling beams on the storage efficiencies.

Zeeman deceleration is an experimental technique which allows for the manipulation of open-shell atoms and molecules in a supersonic beam thus producing mK-cold, velocity-tunable beams of particles in selected quantum states. The method relies on the Zeeman interaction between paramagnetic particles and time-varying, inhomogeneous magnetic fields generated by pulsing high currents through an array of solenoid coils. This thesis describes the construction and implementation of a supersonic beam setup including a 12-stage Zeeman decelerator. The Zeeman decelerator follows an original design that makes it possible to replace individual deceleration coils. Using ground-state hydrogen atoms as a test system, it is shown that the transverse acceptance in a Zeeman decelerator can be significantly increased by generating a rather low, temporally varying quadrupole field in one of the solenoid coils. An electron-impact source was constructed and optimised enabling, for the first time, the Zeeman deceleration of metastable helium atoms in the 23S1 state, with an up to 40 % decrease in the kinetic energy of the beam. It is shown that the pulse duration for electron-impact excitation needs to be matched to the acceptance of the decelerator in order to attain a good contrast between the decelerated and undecelerated parts of the beam. Experimental results are rigorously analysed and interpreted using three-dimensional numerical particle trajectory simulations. A phase-space model provides, for the first time, a means to estimate the six-dimensional phase-space acceptance in a Zeeman decelerator and to find optimum parameter sets for improved Zeeman deceleration schemes. The approach also reveals a hitherto unconsidered velocity dependence of the phase stability which is ascribed mainly to the rise and fall times of the current pulses that generate the magnetic fields inside the deceleration coils. In the future, it is planned to combine the Zeeman decelerator with a source of cold atomic and molecular ions to study chemical collisions at low temperatures. A hybrid magnetic guide consisting of permanent magnet assemblies (Halbach arrays) in hexapole configuration and a set of current-carrying wires is proposed and simulated as an interface between these setups. The design promises very efficient velocity selection, a high degree of quantum-state selection and a nearly complete removal of residual carrier gas. Prospects for using magnetic hexapole focusing in front of the Zeeman decelerator are discussed. The work represents a major step towards the study and control of chemical reactivity of paramagnetic species in the low-temperature regime and it will help in the testing of fundamental chemical reaction theories.

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.

Cette thèse décrit le travail accompli au cours des trois dernières années sur la nouvelle expérience d’Hélium métastable de l'Institut d'Optique à Palaiseau.Le premier chapitre décrit une étude visant à améliorer à la fois l'efficacité et la précision du système de détection par galettes à micro-canaux (MCP). Nous avons fait des mesures avec des galettes recouvertes d'une couche d'or sur la face avant, obtenant un accroissement de l'efficacité de détection mais également une réduction de la précision. L'ajout d'une tension intermédiaires entre les deux galettes empilées a au contraire améliorer à la fois l'efficacité et la précision des MCP, en l’absence d’une couche d’or.Le deuxième chapitre est consacré à la construction de l'appareil expérimental pour le refroidissement et le piégeage d’atomes. L’excitation de l'état fondamental de l’Hélium à l'état métastable est décrite, ainsi que la collimation et le refroidissement ultérieur par Zeeman lent du faisceau atomique chaud résultant. Le faisceau ralenti est alors capturé dans un piège magnéto-optique (PMO), dans lequel nous avons capturé 8x108 atomes.Dans le troisième chapitre une étude originale du refroidissement Doppler tridimensionnel dans un PMO et une mélasse désaccordée vers le rouge de la transition atomique est discutée. L’atome d’Hélium métastable est unique et ses propriétés ont permis une telle étude. En effet, les faibles densités atomiques impliquent qu’il n'y a pas de diffusion multiple de photons d’une part, et la faible masse et la faible largeur de la transition 23S1 -> 23P2 rend inefficace les processus de refroidissement sous la limite Doppler. Ces conditions nous ont permis d’observer pour la première fois à trois dimensions un gaz refroidit dans le régime Doppler.Le quatrième chapitre présente une étude sur les collisions dans un piège magnéto-optique d’Hélium métastable. Les collisions Penning induites par la lumière, en particulier à des intensités élevées et à des fréquences proches de la fréquence de transition, sont responsables de pertes élevées d’atomes piégés. Nous mesurons le coefficient de taux associé à ces pertes, Ksp = 2,8 ± 0,4 x 10-7cm3/ s. / This thesis describes the work done over the past three and a half years on the new metastable helium experiment at the Institut d'Optique in Palaiseau. In the first chapter it describes a study to improve both the efficiency and the accuracy of the Microchannel Plate (MCP) detection system. We have experimented with adding a gold layer on the top of the input plate, something that we have found increases the efficiency but also decreases the accuracy. The addition of a voltage between the two stacked plates has been shown to both raise the efficiency and improve the accuracy in non-coated MCPs.The second chapter is devoted to the construction of the experimental apparatus. Here the excitation of ground state helium to its metastable state is described, as well as the subsequent collimation and cooling by Zeeman slower of the resulting hot atomic beam. The slowed beam is then captured in a Magneto-Optical Trap, in which we have captured 8x108 atoms.In the third chapter an original study on three-dimensional Doppler cooling in a red-detuned molasses and in the Magneto-Optical trap is presented. The metastable helium system is unique as there is no multiple scattering of photons and there are no sub-Doppler effects. This allows for a never before seen experimental realisation of pure Doppler cooling theory. The fourth chapter describes a study on collisions in a magneto-optical trap of metastable helium. Light-induced Penning collisions are responsible for high trap losses at high intensities and at frequencies close to the transition frequency. We measure the constant rate coefficient to Ksp = 2.8 ± 0.4 x 10-7cm3/s.

Ce travail de thèse démontre une technique de détection capable de mesurer, avec une sensibilité à l'atome unique, l'espace des impulsions d'un gaz ultrafroid chargé dans un réseau optique 3D. Nous avons développé un détecteur basé sur des galettes de micro-canaux, capable de sonder électroniquement des nuages d'Hélium-4 métastable. Le gaz est détecté après un temps de vol de 325ms, suffisamment long pour atteindre l'expansion de champ lointain, où la distribution spatiale du gaz coïncide avec la distribution d'impulsion asymptotique. En se plac{c}ant dans un régime proche du remplissage unitaire du réseau, les effets de collisions entre atomes aux premiers instants de l'expansion deviennent négligeables, et donc la distribution d'impulsion asymptotique est égale à la distribution d'impulsion in situ. Nous démontrons expérimentalement cette égalité en comparant nos mesures en champ lointain avec la distribution d'impulsion calculée à partir de l'Hamiltonien de Bose-Hubbard, gr^ace à des simulations Monte Carlo Quantique. Nous observons un bon accord avec la théorie sur plus de 3 ordres de grandeur en densité. Ces simulations sont calculées à partir de nos paramètres expérimentaux, la température étant la seule variable ajustable. Nous utilisons ensuite cette comparaison pour réaliser une thermométrie précise du gaz sur réseau, permettant une exploration de la transition superfluide-gaz normal à travers la mesure directe de différentes quantités, comme la fraction condensée ou la fonction de corrélation à deux particules. / In this thesis, we report the demonstration of a detection technique able to probe, with a single-atom sensitivity, the momentum distribution of an ultracold gas loaded inside a 3D optical lattice. We have developed a micro-channel plate detector, able to electronically probe clouds of metastable Helium-4. The gas is detected after a time-of-flight of 325ms, long enough to reach the far-field expansion, where the spatial distribution of the cloud can be mapped to the asymptotic momentum distribution. By putting ourselves in a regime where the lattice filling is close to unity, the atomic collisions in the first instant of the expansion become negligible, so that the asymptotic momentum distribution is equal to the in situ momentum distribution. We experimentally demonstrate this equality, by comparing our far-field measurements with the momentum distribution calculated from the Bose-Hubbard Hamiltonian, thanks to ab initio quantum Monte Carlo simulations. We show a good agreement with the theory over more than 3 orders of magnitude in density. Those simulations are calculated with our experimental parameters, the temperature being the only adjustable variable. We then use this comparison to perform a precise thermometry of the lattice gas, allowing us to explore the superfluid-normal gas transition through a direct measurement of different quantities, like the condensed fraction or the two-particles correlation function.

Deux expériences d'Optique Atomique Quantique sont étudiées dans ce manuscrit : l'expérience Hong-Ou-Mandel atomique ainsi qu'une expérience préliminaire au test des inégalités de Bell sur la variable d'impulsion de deux atomes. Ces deux expériences permettent de révéler des comportements très particuliers de la matière. La première produit une interférence à deux particules et la seconde suggère l'intrication de deux atomes en impulsion. Ces deux aspects de la mécanique quantique sont non-intuitifs et surprenants. Pouvoir les réaliser avec quelques atomes dans des environnements contrôlés est nécessaire à la consolidation de nos connaissances des lois de la nature et tout particulièrement quand mécanique quantique et gravitation sont à l'oeuvre simultanément. / We report two Quantum Atom Optics experiments : the atomic Hong-Ou-Mandel experiment and preliminary results toward Bell's inequality test on momentum of two atoms. Both experiments reveal interesting behaviors of matter. The first one shows a 2-particle interference and the second one suggests entanglement momenta between two atoms. These aspects of quantum mechanics are really surprising and unintuitive. Realizing these experiments with a few atoms in a controlled environment are necessary to strengthen our understanding of the world, particularly when quantum mechanics and gravitation act simultaneously.

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.

Ce travail de thèse décrit la première observation directe de particules associées à la déplétion quantique et de premières mesures dans l’espace des impulsions d’un superfluide sur réseau. Ces observations ont été réalisées à partir d'un gaz dégénéré d'Hélium métastable sur un tout nouvel dispositif expérimental, dont la construction a été terminée au cours de cette thèse. Permise par l’Hélium métastable, notre détection électronique sensible à l’atome unique donne accès à la distribution tridimensionnelle dans l’espace des impulsions k.Nous avons d’abord développé une approche hybride pour la réalisation de condensats de Bose-Einstein, qui utilise un piège magnétique comme réservoir du piège dipolaire. Cette méthode permet la production rapide de condensats de Bose-Einstein toutes les 6 secondes sur notre expérience. Nous avons alors pu observer, pour la première fois, les particules excitées hors du condensat à cause des interactions (déplétion quantique). En particulier, nous avons observé la loi de puissance en 1/k4 dans la distribution pour de larges impulsions k, comme attendue dans la théorie de Bogoliubov. Enfin nous avons étudié les distributions de superfluide sur réseau. Il s’agit d’une première mesure de la distribution en impulsion dans un réseau comme le démontre les simulations numériques (Monte-Carlo quantique). Les effets de températures sur les distributions mesurées sont extrêmement visibles, ce qui ouvre la voie à une thermométrie des superfluides sur réseau. / In this thesis, we report the first observation of the particles associated with the quantum depletion and the first measurements of the momentum distribution of correlated superfluid lattice bosons. We performed the experiment with a degenerate metastable Helium gas with a novel experimental setup. Making possible with metastable Helium, our electronic detection allows single-atom detection in momentum space k.Firsly, we have demonstrated a new approach to Bose-Einstein condensation of metastable Helium using a hybrid trap, consisting of a magnetic quadrupole and a crossed optical dipole trap. It results in production of a condensate every 6 seconds. Then we observed the excited particles out of the condensate wavefunction due to presence of the interactions (quantum depletion). We observe atom distributions decaying at large momenta k with the 1/k4 power-law predicted by Bogoliubov theory. Furthermore we studied the three-dimensional far field distribution of correlated superfluid lattice bosons. The momentum distributions of the trapped atoms calculated with an ab-initio Monte-Carlo Worm algorithm for the experimental parameters are in excellent agreement with the measured distributions. The finite temperature effect is not negligible, paving the way for a precise thermometry.