Dans le premier chapitre de la thèse, nous étudions la possibilité d’améliorer le couplage opto- mechanique photon-phonon entre le mode de résonance d’une cavité Fabry-Pérot de haute finesse et les vibrations mécaniques des éléments diélectriques (membranes) à l’intérieur de la cavité. En introduisant un défaut quadratique dans la disposition des membranes, nous montrons que le deux couplages (linéaire et quadratique) augmentent. Enfin, nous proposons un modèle très simple avec lequel on cherche à simuler un cristal photonique quasipériodique. Dans le deuxième chapitre de cette thèse, nous présentons nos résultats de recherche sur le transport d’excitons à travers une cavité visant à augmenter l’efficacité du transport. Le modèle que l’on étudie est une chaîne unidimensionnelle d’atomes froids comprenant chacun deux niveaux énergétiques. Grâce au couplage entre exciton et photon, ces deux quanta s’hybrident et forment deux branches de polariton à l’intérieur de la cavité. Nous avons observé qu’à résonance avec un des deux modes de polariton, on peut transmettre l’exciton via le mode polaritonique dans un temps très court. En outre, le désordre n’affecte la propagation excitonique que de façon algébrique. Dans le troisième chapitre de cette thèse, nous présentons nos résultats de recherche sur la réalisa- tion d’interactions entre photons grâce à la médiation d’atomes ultrafroids piégés dans un réseaux optique unidimensionnelle et placés à l’intérieur d’une fibre à cristaux photoniques. Nous avons détecté un régime dans lequel on peut réaliser le “bunching” photon-photon.Dans le quatrième et dernière chapitre de cette thèse, nous étendons les résultats du chapitre précédent aux atomes de Rydberg. / In the first chapter of this thesis, we study a quasiperiodic array of dielectric membranes inside a high-finesse Fabry-Pérot cavity. We work within the framework of the transfer matrix formal- ism. We show that, in a transmissive regime, the introduction of a quadratic spatial defect in the membrane positions enhances both the linear and quadratic optomechanical couplings between optical and mechanical degrees of freedom. Finally, we propose a theoretical model to simulate a one-dimensional quasiperiodic photonic crystal. In the second chapter of this thesis, we consider the problem of the transport of an exciton through a one-dimensional chain of two-level systems. We embed the chain of emitters in a transverse optical cavity and we show that, in the strong coupling regime, a ultrafast ballistic transport of the exciton is possible via the polaritonic modes rather than ordinary hopping. Due to the hybrid nature of polaritons, the transport efficiency is particularly robust against disorder and imperfections in the system. In the third chapter of this thesis, we consider an ordered array of cold atoms trapped in an optical lattice inside a hollow-core photonic crystal fiber. We study photon-photon interactions mediated by hard-core repulsion between excitons. We show that, in spite of underlying repulsive interac- tion, photons in the scattering states demonstrate bunching, which can be controlled by tuning the interatomic separation. We interpret this bunching as the result of scattering due to the mismatch of the quantization volumes for excitons and photons, and discuss the dependence of the effect on experimentally relevant parameters. In the fourth chapter of the thesis, we extend the results of the previous chapter to Rydberg atoms.

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.

Cette thèse porte sur l’étude des interactions dipôle-dipôle entre des atomes de Rydberg froids formés au sein d'un jet supersonique, en particulier sur l'étude des transitions Landau-Zener autour d'une résonance de Förster dans des sytèmes de paires d'atomes de Rydberg. L'adiabaticité de la transition dépend de la distance entre les atomes de la paire et est contrôlée par l'application d'un champ électrique homogène dépendant du temps. L'étude des processus binaires, non collisionnels et dont l'efficacité est contrôlé par l'expérimentateur, permet de sonder l'environnement de chaque atome et constitue une mesure de la distribution de plus proches voisins. Nous en déduisons une méthode originale de mesure directe et précise de la densité d'un gaz de Rydberg. Cette méthode ne nécessite ni la connaissance du nombre d'atomes de Rydberg ni celle du volume du gaz. Après un passage adiabatique de paire, les atomes de Rydberg constituant cette paire se trouvent dans un état intriqué. Nous proposons une méthode pour prouver leur intrication, fondée sur la mesure de la fluctuation quantique au cours d'oscillations de Rabi entre des états de paire. / This thesis deals with the study of dipole-dipole interaction between Rydberg atoms, in particular of Landau-Zener transitions around a Förster resonance for Rydberg atoms pairs. The adiabaticity of the transition depends of the interatomic distance and is controlled by a time-dependant electric field. The adiabatic transition efficiency is the control knob to probe the nearest neighbour distribution. We infer a new and original method to measure the density of a gas very accurately by probing the nearest neighbour distibution in the gas, which depends parametrically on its density. Such adiabatic transitions should leave the pair of Rydberg atoms in an entangled state. We investigated how quantum fluctuations could reveal the atom entanglement, in two-atom Rabi oscillation measurements.

Au cours de cette thèse, la physique des systèmes en interaction à été étudié expérimentalement à partir de gaz froids d'atomes de Rydberg. Les atomes de Rydberg sont des atomes dans un état fortement excités et ils ont la propriété d'interagir fortement du fait d'interactions électrostatiques à longue portée. Le premier résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'un processus à quatre corps. Ce processus consiste en l'échange d'énergie interne entre quatre atomes de Rydberg induit par leurs interactions mutuelles. Il a été possible, en plus de son observation expérimentale, de décrire théoriquement ce processus, au niveau quantique. L'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction a aussi été étudiée durant cette thèse. Cette situation donne lieu à de très intéressants comportements à N-corps. Ce sujet d'intérêt fondamental pourrait aussi amener à d'éventuelles applications pour la réalisation de simulateurs quantiques ou de sources de lumière non classiques. Un second résultat majeur de cette thèse est l'observation expérimentale d'une statistique fortement sub-poissonienne, i.e corrélée de l'excitation Rydberg. Ce résultat confirme le caractère à N-corps de tels systèmes. Le troisième résultat majeur de cette thèse est le développement d'un modèle théorique pour l'excitation par laser des gaz d'atomes de Rydberg en forte interaction. En utilisant les états quantiques dit états collectifs de Dicke, il a été possible de mettre au jour de nouveaux mécanismes liés au comportement à N-corps de ces sytèmes atomiques en forte interaction. / Uring this thesis, the Physics of interacting systems has been investigated experimentally using Cold Rydberg gases. Rydberg atoms are highly excited atoms and have the property to interact together through long-range electrostatic interactions.The first highlight of this thesis is the direct experimental observation of a 4-body process. This process consists in the exchange of internal energy between 4 Rydbergs atoms due to their mutual interactions. In addition to its observation, it has been possible to describ this process theoretically at a quantum level.The laser excitation of strongly interacting Rydberg gases has been also investigated during this thesis. In this regime, the interactions between Rydberg atoms give rise to very interesting many-body behaviors. In addition to fundamental interest, such systems could be used to realyze quantum simulators or non-classical light sources.A second highlight of this thesis is the experimental observation of a highly sub-poissonian, i.e correlated, excitation statistics. This result confirms the many-body character of the investigated system.The third highlight of this thesis is the development of a theoretical model to describ the laser excitation of strongly interacting Rydberg gases. Using the so-called Dicke collective states it has been possible to point out new mechanismes related to the many-body character of strongly atomic interacting systems.

Les systèmes quantiques à N corps en interaction sont au cœur des problèmes actuels de la recherche en physique quantique. La compréhension de tels systèmes est un enjeu crucial pour le développement des connaissances en physique de la matière condensée. De nombreux efforts de recherche visent à la construction d'un « simulateur quantique » : une plateforme permettant de modéliser, grâce à un système quantique bien contrôlé, un système quantique dont l'accès expérimental est difficile. Les fortes interactions dipolaires entre atomes de Rydberg représentent un objet d'étude choix pour ce type de problème. Nous présentons dans le présent manuscrit une étude des conditions d'excitation d'un nuage dense d'atomes de Rydberg en interaction, permise par le dispositif expérimental dont nous disposons, qui mêle les techniques de piégeage et de refroidissement d’atomes sur puce avec les techniques de manipulation des niveaux de Rydberg. Les résultats de cette étude nous permettent de formuler une proposition expérimentale complète de développement d'un simulateur quantique fondé sur le piégeage d'atomes de Rydberg circulaires. Le simulateur que nous proposons est très prometteur, grâce à sa flexibilité et aux longs temps de simulation qu’il permettrait. Nous terminons ce manuscrit par la description détaillée de la première étape sur le chemin vers ce simulateur : l'excitation d’atomes de Rydberg circulaires sur puce. / Interacting many-body quantum systems are at the heart of contemporary research in quantum physics. The understanding of such systems is crucial to the development of condensed-matter physics. Many research efforts aim at building a "quantum simulator": a platform which allows to model a hard-to-access quantum system with a more controllable one. Ensembles of Rydberg atoms, thanks to their strong dipolar interactions, make for an excellent system to study many-body quantum physics. We present here a study of the excitation of a dense cloud of interacting Rydberg atoms. This study was conducted on an experimental setup mixing on-chip cold atoms techniques with Rydberg atoms manipulation techniques. The result of this study leads us to make a full-fledged proposal for the realisation of a quantum simulator, based on trapped circular Rydberg atoms. The proposed simulator is particularly promising due to its flexibility and to the long simulation times for which it would allow. We conclude this manuscript with a detailed description of the first experimental step towards building such a simulator: the on-chip excitation of circular Rydberg atoms.

Produire et faire interagir entre eux des photons optiques de façon contrôlée sont deux conditions nécessaires au développement de communications quantiques à longue distance, et plus généralement au traitement quantique d’information codée sur des photons. Cette thèse présente une étude expérimentale de solutions possibles a ces deux problèmes, en utilisant la conversion des photons en excitations collectives (polaritons) dans un nuage d’atomes froids, placé dans le mode d’une cavité optique de faible finesse (~100). Dans un premier temps, des polaritons entre états atomiques fondamentaux sont utilisés pour « mettre en mémoire » une excitation unique dans le nuage. Celle-ci est ensuite convertie efficacement en un photon unique, dont le champ est analysé par tomographie homodyne. La fonction de Wigner de l’état à un photon est reconstruite a partir des données expérimentales, et présente des valeurs négatives, démontrant que les degrés de liberté de ce photon (mode spatio-temporel et état quantique) sont complètement contrôlés. Dans un second temps, les photons sont couplés à des polaritons impliquant des états de Rydberg. Les fortes interactions dipolaires entre ces derniers se traduisent par des non-linéarités optiques dispersives très importantes, qui sont caractérisées dans un régime d’excitation classique. Ces non-linéarités peuvent être amplifiées jusqu’à ce qu’un seul photon suffise à modifier totalement la réponse du système, permettant en principe de générer des interactions effectives entre photons. / Controllably producing optical photons and making them interact are two key requirements for the development of long-distance quantum communications, and more generally for photonic quantum information processing. This thesis presents experimental studies on possible solutions to these two problems, using the conversion of the photons into collective excitations (polaritons) in a cold atomic cloud, inside the mode of a low-finesse optical cavity (~100). Firstly, ground-state polaritons are used to store a single excitation in the cloud memory. This polariton is then efficiently converted into a single photon, whose field is characterized via homodyne tomography. The single photon state’s Wigner function is reconstructed from the experimental data and exhibits negative values, demonstrating that the photon’s degrees of freedom (spatio-temporal mode and quantum state) are well controlled. Secondly, photons can be coupled to polaritons involving Rydberg states. The strong dipolar interactions between these give rise to very strong optical dispersive nonlinearities, that are characterized in a classical excitation regime. These nonlinearities can be amplified until a single photon is enough to modify the entire system’s response, allowing in principle for the generation of effective photon-photon interactions.

La plupart des objets quantiques individuels développés jusqu’à aujourd’hui ne permettent pas de satisfaire toutes les conditions nécessaires pour la construction d’un simulateur quantique. Une possibilité pour obtenir un système quantique robuste est de combiner plusieurs de ces approches. Dans cette thèse, nous décrivons les résultats obtenus sur deux systèmes expérimentaux développés dans ce but.La première partie de cette thèse décrit un système hybride d’atomes neutres couplés à des qubits supraconducteurs, en construction à l’Université du Maryland. La solution envisagée pour placer un ensemble d’atomes froids à proximité de la surface supraconductrice est de piéger les atomes dans le champ évanescent se propageant autour d’une fibre optique nanométrique. Nous avons développé un dispositif permettant la production de fibres optiques nanométriques de transmission optique supérieure à 99.95% dans le mode fondamental. Nous avons également optimisé la transmission de quelques modes d’ordres supérieurs, ce qui pourra s’avérer utile pour le piégeage d’atomes.La seconde partie de cette thèse décrit un système développé à l’Institut d’Optique et comprenant des atomes neutres piégés dans des matrices de pinces optiques. Dans ce cas, nous excitons les atomes dans des états de Rydberg afin de bénéficier de fortes interactions interatomiques. Nous avons caractérisé les interactions de van der Waals et les interactions résonantes entre deux atomes individuels, et démontré le caractère cohérent de l’interaction dipolaire. Nous avons enfin simulé la dynamique d’une chaine élémentaire de spins dans une matrice de trois atomes / Most platforms that are being developed to build quantum simulators do not satisfy simultaneously all the requirements necessary to implement useful quantum tasks. Robust systems can be constructed by combining the strengths of multiple approaches while hopefully compensating for their weaknesses. This thesis reports on the progress made on two different setups that are being developed toward this goal.The first part of this thesis focuses on a hybrid system of neutral atoms coupled to superconducting qubits that is under construction at the University of Maryland. Sub-wavelength diameter optical fibers allow confining an ensemble of cold atoms in the evanescent field surrounding the fiber, which makes them ideal for placing atoms near a superconducting surface. We have developed a tapered fiber fabrication apparatus, and measured an optical transmission in excess of 99.95% for the fundamental mode. We have also optimized tapered fibers that can support higher-order optical modes with high transmission, which may be useful for various optical potential geometries.The second part of this thesis focuses on a system of neutral atoms trapped in arrays of optical tweezers that has been developed at the Institut d’Optique. Placing the atoms in highly excited Rydberg states allows us to obtain strong interatomic interactions. Using two individual atoms, we have characterized the pairwise interactions in the van der Waals and resonant dipole-dipole interaction regimes, providing a direct observation of the coherent nature of the interaction. In a three-atom system, we have finally simulated the dynamics of an elementary spin chain

EXPERIENCES AVEC DES ATOMES DE RYDBERG ET DES MOLECULES ULTRA-FROIDS.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique des collisions et des interactions impliquant des atomes et des molécules ultrafroids de césium. Ces travaux ont un lien étroit avec les différents domaines que sont la condensation de Bose-Einstein atomique et moléculaire, les atomes de Rydberg, les plasmas froids et l'information quantique.<br />Trois expériences sont décrites dans cette thèse. Dans la première, la caractérisation du régime de collisions élastiques dans un piège hybride optique et magnétique a été menée. Cette étude est d'une grande importance pour évaluer, dans un tel piège, les possibilités d'atteindre la phase quantique de condensation de Bose-Einstein pour l'atome de césium. Dans la deuxième expérience, un dispositif de piégeage dipolaire de molécules de césium, réalisé à l'aide d'un laser CO2, a permis d'obtenir un échantillon dense et froid de molécules, créées par photoassociation d'atomes froids. Le confinement d'atomes et de molécules a été mis en évidence et des études quantitatives de collisions froides inélastiques molécule-atome ont pu être réalisées. Une mesure de ce taux de collisions est donnée dans le manuscrit. Nous abordons, dans la troisième expérience, l'étude détaillée des phénomènes d'interactions à longue distance dipôle-dipôle qui règnent au sein d'un gaz d'atomes de Rydberg froids. Ces interactions ont été mises en évidence et caractérisées à l'aide d'une méthode originale de spectroscopie optique de haute résolution.

La fonction d'onde de deux particules après<br />une interaction mutuelle ne peut pas, en général, être exprimée<br />comme le produit d'états individuels des particules. Pour qu'une<br />collision atomique puisse produire une intrication<br />maximale, il faut cependant des conditions exceptionnelles. Ces<br />conditions sont réunies dans notre dispositif, où l'interaction<br />dipôle-dipôle entre atomes de Rydberg "à deux niveaux" peut être<br />stimulée par une cavité supraconductrice non-résonnante. En<br />exploitant cet effet, nous avons réalisé des états fortement<br />intriqués dans des collisions binaires avec des paramètres<br />d'impact de l'ordre du millimètre. L'angle de collision peut être<br />varié en modifiant le désaccord atomes-cavité, ce qui nous a<br />permis d'observer l'échange d'énergie réversible et cohérent<br />(oscillation de Rabi) entre deux atomes. Par un choix opportun des<br />valeurs des paramètres, nous avons en particulier réalisé et testé<br />une paire 'EPR' d'atomes. La relative insensibilité de cette<br />méthode d'intrication au facteur de qualité du résonateur rend sa<br />fidélité compatible avec des expériences de violation des<br />inégalités de Bell ainsi qu'avec la manipulation cohérente d'un<br />nombre plus important d'atomes. Nous présentons en outre une<br />nouvelle procédure de fabrication des cavités micro-ondes. Les<br />nouvelles cavités devraient en particulier permettre l'extension<br />des études sur l'intrication aux champs confinés dans deux<br />résonateurs séparés.