L’objet de cette thèse de doctorat est la conception et la construction d’une horloge atomique réalisée sur un microcircuit à atomes (TACC) et améliorée par l’intrication. L’élément principal de cette nouvelle expérience est un micro-résonateur Fabry Pérot qui permet la génération d’états de spin comprimés de l'ensemble atomique grâce aux interactions entre la lumière et les atomes. Il a déjà été montré que ces états peuvent améliorer les performances métrologiques des horloges atomiques. Cependant, les expériences ayant permis cette démonstration de principe n'ont pas encore atteint un niveau de précision présentant un intérêt métrologique. C’est précisément l'objectif de la nouvelle configuration expérimentale que nous proposons ici. Afin de conserver la compacité et la stabilité de notre installation, nous avons choisi d’utiliser une cavité Fabry-Pérot fibrée (fibered Fabry-Pérot, FFP) comme résonateur optique, dans lequel les miroirs du résonateur sont réalisés sur la pointe de fibres optiques. Pour répondre aux exigences de notre expérience, une nouvelle génération de résonateurs FFP a été développée au cours de cette thèse, les plus longs réalisés à ce jour. A cette fin, nous avons développé une procédure d’ablation par tirs multiples à l'aide d'un laser CO$_2$ focalisé, qui permet la mise en forme des surfaces de silice fondue avec une précision et une polyvalence sans précédent.L'intégration du résonateur optique au dispositif expérimental TACC nécessite une conception nouvelle du microcircuit à atomes, qui doit permettre le transport du nuage atomique jusqu’au résonateur. Nous présenterons donc la conception et la fabrication de ce microcircuit à atomes. / This thesis describes the conception and construction of an “entanglement-enhanced” trapped atom clock on an atom chip (TACC). The key feature of this new experiment is the integration of two optical Fabry-Pérot micro resonators which enable generation of spin-squeezed states of the atomic ensemble via atom-light interactions and non-destructive detection of the atomic state. It has been shown before that spin-squeezed states can enhance the metrological performance of atomic clocks, but existing proof-of-principle experiments have not yet reached a metrologically relevant level of precision. This is the first goal of the new setup. To retain the compactness and stability of our setup, we chose the optical resonator to be a fiber Fabry-Pérot (FFP) resonator where the resonator mirrors are realized on the tip of optical fibers. To meet the requirements of our experiment, a new generation of FFP resonators was developed in the context of this thesis, demonstrating the longest FFP resonators to date. For this purpose, we developed a “dot milling” procedure using a focused CO2-laser that allows shaping of fused silica surfaces with unprecedented precision and versatility. Incorporating optical resonators in the TACC system requires a new atom chip design, allowing transportation of the atom cloud into the resonator. We present the design and the fabrication of this atom chip. The completed setup will enable investigations of the interplay of spin-dynamics in presence of light mediated correlations and spin-squeezing at a metrologically relevant stability level of $10^{-13}$ at 1 s.

Komplexe Berechnungen im Gehirn werden durch das Zusammenspiel von exzitatorischen und hemmenden Neuronen in lokalen Netzwerken ermöglicht. In kortikalen Netzwerken, wird davon ausgegangen, dass hemmende Neurone, besonders Parvalbumin positive Korbzellen, ein „blanket of inhibition” generieren. Dieser Sichtpunkt wurde vor kurzem durch Befunde strukturierter Inhibition infrage gestellt, jedoch ist die Organisation solcher Konnektivität noch unklar. In dieser Dissertation, präsentiere ich die Ergebnisse unserer Studie Parvabumin positiver Korbzellen, in Schichten II / III des entorhinalen Kortexes und Präsubiculums der Ratte. Im entorhinalen Kortex haben wir dorsale und ventrale Korbzellen beschrieben und festgestellt, dass diese morphologisch und physiologisch ähnlich, jedoch in ihrer Konnektivität zu Prinzipalzellen dorsal stärker als ventral verbunden sind. Dieser Unterschied korreliert mit Veränderungen der Gitterzellenphysiologie. Ähnlich zeige ich im Präsubiculum, dass inhibitorische Konnektivität eine essenzielle Rolle im lokalen Netzwerk spielt. Hemmung im Präsubiculum ist deutlich spärlicher ist als im entorhinalen Kortex, was ein unterschiedliches Prinzip der Netzwerkorganisation suggeriert. Um diesen Unterschied zu studieren, haben wir Morphologie und Netzwerkeigenschaften Präsubiculärer Korbzellen analysiert. Prinzipalzellen werden über ein vorherrschendes reziprokes Motif gehemmt die durch die polarisierte Struktur der Korbzellaxone ermöglicht wird. Unsere Netzwerksimulationen zeigen, dass eine polarisierte Inhibition Kopfrichtungs-Tuning verbessert. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass inhibitorische Konnektivität, funktioneller Anforderungen der lokalen Netzwerke zur Folge, unterschiedlich strukturiert sein kann. Letztlich stelle ich die Hypothese auf, dass für lokale inhibitorische Konnektivität eine Abweichung von „blanket of inhibition― zur „maßgeschneiderten― Inhibition zur Lösung spezifischer computationeller Probleme vorteilhaft sein kann. / Local microcircuits in the brain mediate complex computations through the interplay of excitatory and inhibitory neurons. It is generally assumed that fast-spiking parvalbumin basket cells, mediate a non-selective -blanket of inhibition-. This view has been recently challenged by reports structured inhibitory connectivity, but it’s precise organization and relevance remain unresolved. In this thesis, I present the results of our studies examining the properties of fast-spiking parvalbumin basket cells in the superficial medial entorhinal cortex and presubiculum of the rat. Characterizing these interneurons in the dorsal and ventral medial entorhinal cortex, we found basket cells of the two subregions are more likely to be connected to principal cells in the dorsal compared to the ventral region. This difference is correlated with changes in grid physiology. Our findings further indicated that inhibitory connectivity is essential for local computation in the presubiculum. Interestingly though, we found that in this region, local inhibition is lower than in the medial entorhinal cortex, suggesting a different microcircuit organizational principle. To study this difference, we analyzed the properties of fast-spiking basket cells in the presubiculum and found a characteristic spatially organized connectivity principle, facilitated by the polarized axons of the presubicular fast-spiking basket cells. Our network simulations showed that such polarized inhibition can improve head direction tuning of principal cells. Overall, our results show that inhibitory connectivity is differently organized in the medial entorhinal cortex and the presubiculum, likely due to functional requirements of the local microcircuit. As a conclusion to the studies presented in this thesis, I hypothesize that a deviation from the blanket of inhibition, towards a region-specific, tailored inhibition can provide solutions to distinct computational problems.

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