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.

L'interférométrie atomique permet de réaliser des capteurs inertiels absolus et de grande sensibilité. Un gravimètre embarquable présentant ces deux propriétés conjuguées serait exploitable dans de nombreuses applications : géologie, prospection pétrolière, guidage-navigation... Malheureusement, les dispositifs actuels de refroidissement atomique par laser sont trop sensibles aux perturbations environnementales. Le but de cette thèse est donc de développer des solutions robustes permettant le fonctionnement d'un gravimètre à atomes froids en conditions opérationnelles.<br />Dans un premier temps, une évaluation prospective des performances de l'instrument embarqué a été réalisée. Cette évaluation a permis le dimensionnement du prototype. Dans un deuxième temps, un banc optique permettant de refroidir des atomes de Rubidium a été réalisé : ce dernier repose sur l'utilisation de sources Télécoms brées à 1560 nm, doublées en fréquence à l'aide de cristaux de Niobate de Lithium périodiquement retourné (PPLN). L'ensemble du dispositif tient dans une baie d'électronique, et a permis d'obtenir un piège magnéto-optique, même en présence de vibrations mécaniques importantes et de fortes variations de température (de 10 à 25°C en 30 min). Enfin, les faisceaux Raman ont été synthétisés à l'aide d'un modulateur électro-optique à 1560 nm, et des tests préliminaires ont été menés sur les atomes refroidis.

Ce mémoire de thèse est composé de deux parties. La première présente les récents résultats concernant les gaz de Bose bidimensionnels (2D). Dans un gaz de Bose 2D homogène avec interactions, malgré l'absence de condensat de Bose-Einstein à température non nulle, une transition entre une phase normale et une phase superfluide a été prédite par Berezinskii, Kosterlitz et Thouless. Notre expérience a consisté à étudier cette transition pour un gaz d'atomes dans un piège harmonique. Pour cela, nous avons coupé un condensat de Bose-Einstein tridimensionnel en deux nuages 2D indépendants. Nous avons étudié à la fois la perte de la quasi-cohérence du système au dessus d'une température critique et la prolifération de vortex libres issus de la brisure des paires vortex/antivortex présentes dans la phase quasi-cohérente. La coïncidence entre ces deux phénomènes est typique de la transition prévue par Kosterlitz et Thouless. La seconde partie concerne la conception et la réalisation d'une nouvelle expérience de condensation de Bose-Einstein. Les dix années d'expérience depuis la création du premier condensat d'atomes froids ont été mises à profit pour construire un montage simple et robuste. La particularité principale de ce montage est la mise en œuvre d'un transport magnétique permettant aux atomes de voyager entre deux chambres distinctes, la seconde autorisant un excellent accès optique.

Nous avons mis au point une méthode de mesure du déplacement de fréquence dû aux collisions entre atomes froids, c'est l'effet systématique qui limite le plus l'exactitude des fontaines à 133Cs (~1E-15 en valeur relative), on peut le mesurer au niveau de 0.5%. Ceci ouvre des perspectives d'améliorations des performances des fontaines en terme d'exactitude jusqu'à 1E-16. La fontaine à aussi obtenu une stabilité de l'ordre de 1.6E-14 à 1s. Nous avons découvert, à champ magnétique très faible (5 +/- 1 mG), des résonances de Feshbach. Nous avons aussi effectué une nouvelle mesure absolue de la transition hyperfine du 87Rb, qui est la plus précise jamais réalisée et sert maintenant de définition pour l'étalon secondaire de fréquence 87Rb. En comparant cette valeur avec celles mesurées les années précédentes, nous avons pu tester la stabilité de la constante de structure fine au niveau de 1E-15/ an. Nous avons comparé localement notre fontaine avec les autres fontaines du laboratoire, avec dans le meilleur des cas une stabilité combinée de 5E-14 à 1s. La différence de fréquence des deux horloges se moyenne comme du bruit blanc de fréquence jusqu'à 3E-16. Le bilan d'exactitude de la fontaine double à été évalué à ~7E-16 pour la partie césium et ~8E-16 pour la partie rubidium. Nous avons contribué à la réalisation de l'échelle de Temps Atomique International, par des séries de calibrations de masers à hydrogène. Une comparaison de fontaines atomiques par liaisons satellitaires a été expérimenté entre notre laboratoire et nos homologues Allemands. Cette mesure a permis de déterminer le bon accord qu'il y a entre les deux horloges.

Ce document décrit principalement mes travaux de recherche concernant la spectroscopie <br />atomique de grande précision dans le cadre de la détermination de <br />constantes fondamentales. <br />Dans un chapitre consacré à la détermination de la constante de <br />Rydberg et du déplacement de Lamb du niveau 1S de l'atome d'hydrogène, je <br />fais le point sur les mesures de fréquences optiques de grande précision <br />réalisées sur cet atome. <br />D'autre part, je présente l'expérience qui a débuté dans notre équipe en 1999, <br />dont l' objectif est la détermination de la constante de structure fine <br />avec une incertitude relative d'environ 10-9. Le principe de cette <br />expérience consiste à exploiter la grande efficacité des oscillations de <br />Bloch des atomes froids dans un potentiel lumineux pour mesurer <br />précisément le rapport h/m entre la constante de Planck et la masse de l'atome.<br />Actuellement, nous atteignons une incertitude relative de 6,7x10-9 sur alpha. <br />Il s'agit de la détermination la plus précise à ce jour, après celle <br />déduite de la mesure de l'anomalie du rapport gyromagnétique de <br />l'électron. Je mentionne également les évolutions à court et moyen termes de <br />cette expérience et je conclue sur l'impact de ce travail dans le <br />contexte d'une éventuelle redéfinition du kilogramme.

L'interaction matière-lumière dans des milieux opaques donne lieu à des phénomènes collectifs nécessitant le couplage d'équations atomiques et d'une équation de transport. Le piégeage de la lumière dans un système atomique multi-niveaux sera étudié expérimentalement dans une vapeur froide et théoriquement avec le couplage des paramètres atomiques à une équation de diffusion. Ensuite, du gain sera ajouté dans ce nuage d'atomes froids multi niveaux. Nous montrerons théoriquement qu'un seuil laser existe dans ce type de système combinant gain et diffusion et qu'expérimentalement le gain Raman associé à de la diffusion sur une raie résonante a permis l'observation d'un laser aléatoire à atomes froids. La validité de l'équation de diffusion nécessite une non redistribution en fréquence et donc des atomes suffisamment froids pour s'affranchir de l'effet Doppler. Finalement nous étudierons le transport dans une vapeur atomique chaude (20°C-180°C) opaque. L'effet Doppler invalide la loi de Beer-Lambert pour la longueur des pas des photons entre des diffusions qui suivent alors une statistique de Lévy.

Dans ce mémoire, nous présentons l'étude d'un senseur inertiel à ondes de matière embarqué dans un avion effectuant des vols paraboliques.Une source laser bi-fréquence robuste et compacte permettant de refroidir et d'interroger simultanément des atomes de 87Rb et 39K a été développée. Elle est basée sur des lasers télécom asservis sur un peigne de fréquences optique et doublés en fréquence. L'utilisation de composants optiques fibrés permet de rendre le système intrinsèquement résistant aux vibrations et aux fluctuations thermiques. Le dispositif a été validé en vol par l'obtention d'un double piège magnéto-optique.Nous avons utilisé la source laser pour faire fonctionner un interféromètre à atomes froids de 87Rb dans l'avion. Un accéléromètre mécanique auxiliaire permet d'augmenter la dynamique du capteur atomique et d'enregistrer des franges d'interférences malgré le niveau élevé des fluctuations d'accélération. Le senseur hybride ainsi réalisé a une résolution de 4.10-3 m.s-2.Hz-1/2, environ 100 fois plus faible que le niveau des vibrations dans l'avion.Dans la perspective de réaliser un test du principe d'équivalence en microgravité avec des atomes froids, nous étudions enfin de manière théorique le fonctionnement d'un interféromètre différentiel et nous intéressons à l'influence de certains effets systématiques.

Actuellement, l'évaporation par radiofréquence en piège magnétique reste un passage obligé pour l'obtention de gaz atomiques dégénérés. Afin de piéger magnétiquement et de refroidir un gaz d'atomes de Rubidium 87, nous avons conçu un électroaimant basé sur l'utilisation de matériaux ferromagnétiques, capable de générer de forts gradients pour une puissance électrique modeste. La première version du dispositif se caractérise par une forte valeur du champ magnétique au centre du piège, de l'ordre de 100 Gauss, pour laquelle l'effet Zeeman non linéaire lève la dégénérescence des transitions radiofréquence entre les sous-niveaux magnétiques. Nous avons étudié dans un premier temps le refroidissement évaporatif à une seule radiofréquence dans ce régime. L'évaporation n'est pas perturbée dans le niveau hyperfin F = 1, et nous avons observé la condensation de Bose-Einstein. Par contre, dans le niveau F = 2, le processus d'évaporation est inhibé, et il est impossible de condenser le gaz pour un champ magnétique supérieur à environ 15 Gauss. Dans un deuxième temps, nous avons contourné cette difficulté, soit en évaporant les atomes avec trois radiofréquences distinctes, soit en faisant du refroidissement sympathique, c'est-à-dire en maintenant les atomes dans F = 2 en contact thermique avec un nuage d'atomes dans F = 1, lui-même refroidi par évaporation. Ces deux techniques permettent d'atteindre le seuil de condensation dans F = 2 à relativement fort champ. Enfin, nous avons conçu et réalisé une deuxième version de l'électroaimant permettant de compenser le champ magnétique au centre du piège, tout en conservant l'aptitude à générer de forts gradients. Cette nouvelle génération devrait apporter une solution définitive à l'évaporation des atomes dans F = 2, et déboucher sur la réalisation d'expériences nécessitant un fort confinement ou un potentiel de piégeage très anisotrope.

Dans ce mémoire, nous présentons trois études effectuées sur un condensat de Bose-Einstein dans un piège très anisotrope. Nous nous intéressons en premier lieu au comportement du nuage thermique à des température proches de la température critique. Nous mettons en particulier en évidence un décalage de la température critique et une réduction de la fraction condensée dûs aux interactions, en bon accord avec une description de type Hartree-Fock du nuage mixte. Dans une seconde partie, nous étudions théoriquement et expérimentalement le taux d'extraction et le mode spatial d'un laser à atomes extrait du condensat par un coupleur radio-fréquence. Nous concluons que les interactions sont en grande partie responsables de la divergence observée. Enfin, nous consacrons un part importante de ce mémoire à l'étude des fluctuations de phase dans un (quasi-)condensat très allongé, étude basée sur la mesure de la distribution en impulsion par spectroscopie de Bragg. Nous mettons en évidence que la distribution en impulsion devient Lorentzienne en présence de fluctuations de phase importantes. Nos mesures de la largeur en impulsion, et l'observation de fluctuations de densité fortement réduites par rapport à une distribution thermique "ordinaire", confirment la validité de l'approche de Bogoliubov pour décrire les quasi-condensats en dimensionnalité réduite.

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.