Dans cette thèse, nous décrivons une approche jusqu’à maintenant inexplorée dans le développement des interféromètres atomiques; la rétroaction des états atomiques au cours de leur évolution. Le long de cet objectif, nous présentons des nouvelles techniques expérimentales, comme la condensation de Bose-Einstein tout-optique d’atomes de rubidium-87 à l’aide d’une cavité optique, une nouvelle technique de stabilisation de laser décalage de fréquence serrodyne et le développement de la spectroscopie par modulation de fréquence comme un outil non-destructif pour mesurer des différences de population atomique. Cette détection non destructive est combinée à la rétroaction, soit directement sur les atomes avec un rayonnement micro-onde soit sur l’oscillateur à micro-ondes. De cette manière, nous montrons que les états quantiques atomiques peuvent être protégés contre la décohérence d’un bruit collectif. Grâce à cette méthode, nous développons des protocoles de rétroaction dédiés pour améliorer les interféromètres atomiques, et démontrons expérimentalement l’un d’entre eux dans le cas d’une horloge atomique. Nous montrons que le temps d’interrogation dans les interféromètres atomiques peut être prolongé, ce qui est prometteur pour augmenter la sensibilité des senseurs atomiques. / In this thesis, we describe an until now unexplored approach in the operation of atomic interferometers; the feedback control of the atomic states during their evolution. Towards this goal, we present several novel experimental techniques, such as the all-optical Bose-Einstein condensation of rubidium-87 in a cavity enhanced dipole trap, a new laser stabilization technique based on serrodyne frequency shifting and the development of frequency modulation spectroscopy as a minimal destructive tool for the measurement of atomic population differences. This nondestructive detection is combined with feedback, either directly on the atoms with microwave radiation or on the microwave oscillator. In this way, we show that atomic quantum states can be protected against decoherence from collective noise. We develop dedicated feedback protocols to use this method to improve atomic interferometers, and experimentally demonstrate one such protocol in an atomic clock. We show that the interrogation time in atomic interferometers can be prolonged, which holds promise for increasing the sensitivity of atomic sensors.

Cette thèse décrit le développement de deux outils originaux pour l’interférométrie atomique. Le premier est une cavité optique à haute finesse pour la manipulation d’atomes ultra-froids de 87Rb. Cette cavité est d’abord utilisée pour augmenter l’intensité d’un piège dipolaire optique qui permet de piéger et refroidir les atomes. Ainsi, en procédant à un refroidissement par évaporation de l’échantillon atomique, nous avons atteint le régime de condensation de Bose-Einstein. La cavité étant non dégénérée, elle permet également l’injection de différents modes transverses électromagnétiques. Nous avons alors démontré la création et la manipulation de réseau d’ensembles atomiques en utilisant ces modes. La mesure successive de ces ensembles atomiques au cours d’une séquence d’interférométrie atomique permettrait d’augmenter le temps de mesure et ainsi d‘améliorer la sensibilité de l’instrument. Deuxièmement, l’utilisation d’une mesure faible non destructive sur les atomes permet de soutirer de l’information du système sans le perturber. En appliquant une rétroaction après ces mesures, l’état quantique peut être contrôlé. Par l’utilisation d’une séquence de Ramsey adaptée avec des mesures faibles et des corrections de phase, nous avons ainsi démontré la réalisation d’une boucle à verrouillage de phase entre un oscillateur local et l’état atomique. Nous avons ensuite démontré que ce protocole améliore la stabilité d’une horloge atomique en surpassant la limite de stabilité de l’oscillateur local. Nous avons également validé l’utilisation de la plate-forme laser commercial EYLSA de Quantel sur deux expériences de refroidissement d’atomes par laser. / This thesis reports the development of two original tools for atom interferometry.The first is a high finesse optical cavity for the manipulation of 87Rb cold atoms. This cavity isfirstly used to enhance the intensity of an optical dipole trap. Thus, by realizing an evaporativecooling on the atomic sample, we reached Bose-Einstein condensation. Furthermore, the nondegeneratecavity allows the injection of different transverse electromagnetic modes. In thisway, we have demonstrated the generation and the manipulation of arrays of atomic ensemblesusing these modes. Successive measurements of these atomic ensembles in an atominterferometric sequence would increase the interrogation time and thus the sensitivity of thesensor.Secondly, the use of weak nondestructive measurements on the atoms allows to extractinformation from the system with negligible perturbation of the ensemble. Applying feedbackafter the measurement, we were able to control the quantum state of the system. Using amodified Ramsey sequence with weak nondestructive measurements and phase corrections, werealized a phase lock loop between a local oscillator and the atomic state. We have thendemonstrated that this protocol leads to a stability enhancement of an atomic clock byovercoming the limit set by the local oscillator.We also contributed to the development of the commercial laser platform EYLSA fromQuantel, testing its performances on two laser cooling experiments.

Les gaz quantiques dégénérés des atomes neutres sont d’excellentssystèmes avec les applications importantes dans les études de la physique à plusieurs corps, de la matière condensée, de la mesure de haute précision et de l'information quantique. Dans cette thèse, nous démontrons la production des condensats de Bose-Einstein de 87Rb dans les différents modes transverses de la cavité qui a une configuration en papillon (bow-tie cavity). La cavité est résonante à deux longueurs d'onde, 1560 nm et 780 nm. Nous utilisons la radiation à 1560 nm, une longueur d'onde accessible dans la télécommunication (bande C) pour obtenir le condensat de Bose-Einstein dans un piège dipolaire intra-cavité. La cavité optique permet de réaliser un piège dipolaire profond à partir d'une source optique à puissance modérée (3W), grâce à l'amplification de la puissance au sein du résonateur. Les modes non dégénérés du résonateur permettent d'obtenir de multiples condensats dans les modes transverses supérieurs. Comme exemples représentatifs, nous avons réalisé le condensat de Bose-Einstein dans le mode fondamental et le mode TEM01 de la cavité. L'utilisation de ces modes nous permet d'avoir un et deux puits de potentiels pour le piégeage où l'échantillon atomique ultra-froid est couplé au mode du résonateur. En contrôlant la puissance relative entre le mode fondamental et les modes transverses supérieurs (TEM01, TEM10), nous arrivons à réaliser la division et la recombinaison d’un 'ensemble atomique ultra-froid. De plus, dans ce manuscrit nous présentons le développementd'un système d'asservissement autour de la cavité optique qui nous permet d'obtenir les deux radiations asservies sur le résonateur ainsi que la stabilisation de la longueur de la cavité sur les atomes de rubidium. La deuxième longueur d'onde provient du faisceau à 1560 nm après le doublage de fréquence. Par la suite, les deux longueurs d'onde sont asservies sur la cavité par la technique de Pound-Drever-Hall. Une partie du composant doublé en fréquence est comparée en fréquence avec un laser à 780 nm asservi sur les atomes de rubidium par la technique de battement optique. Ensuite, le signal de battement est converti par un synthétiseur de fréquence et est envoyé vers le contrôleur de transducteur piézo-électrique de la cavité via un régulateur PI pour éviter la dérive à long terme liée aux fluctuations de la température. La résonance à 780 nm sera utilisée comme faisceau de sonde intra-cavité. Cela nous permettra de réaliser une mesure quantique non-destructive et de générer des états comprimés de spins induits par cette mesure / Quantum degenerate gases of neutral atoms are excellent systems with important applications in the study of many body quantum physics, condensed matter physics, precision measurements, and quantum information processing. In this thesis we demonstrate the creation of 87Rb Bose-Einstein condensates (BECs) in different transverse modes of a bow-tie cavity. The cavity resonant at two wavelengths, 1560 and 780 nm. We are using the radiation 1560 nm accessible in telecom (C band) to create BEC in the cavity enhanced optical dipole trap with only 3 W of optical power from the source. The non-degenerate cavity modes enable the creation of arrays of BECs in the higher transverse modes. As representative examples we realize the BEC in the fundamental TEM00 and the TEM01 mode of the cavity which are the single well and double well trapping configuration with ultra-cold atomic simple well coupled to the cavity modes. By controlling the relative power between the fundamental and the higher transverses cavity modes (TEM01, TEM10), splitting and merging of ultra-cold atomic ensemble is shown. Moreover, in this manuscript we present the development of a lock system around the optical cavity which allows us to obtain both radiations locked to the cavity as well as the lengthe of the optical resonator is referenced on the rubidium atoms. The second wavelength is derived from 1560 nm beam by frequency doubling and then both radiations are locked to the cavity by Pound-Drever-Hall technique. One part of the frequency doubled 780 nm is referenced to an independent 780 nm laser locked on the rubidium atoms. The beat signal between these two lasers is frequency synthesized and through the PI controller is sent to the piezo-electric transducer driver to avoid long-term drifts of the cavity due to temperature fluctuations. The cavity resonance at 780 nm will be used as a probe beam for cavity aided quantum non-demolition measurements to generate measurement induced spin squeezed states.