Cette thèse porte sur la manipulation d'atomes uniques de rubidium 87 dans des pièges dipolaires optiques microscopiques en vue d'applications à l'information quantique. Le dispositif expérimental utilise un objectif de grande ouverture numérique pouvant focaliser un faisceau à la limite de diffraction et collecter efficacement la lumière émise par les atomes.<br /><br />Nous avons caractérisé la géométrie du potentiel et le mouvement des atomes piégés par des mesures de fréquences d'oscillation et d'énergies moyennes.<br /><br />Pour prouver que ce système est adapté au traitement quantique de l'information, nous montrons que son extensibilité à grande échelle est envisageable. A l'aide d'un modulateur de phase programmable par ordinateur et à partir d'un seul faisceau laser, nous avons généré holographiquement des réseaux de micro-pièges dipolaires pour atomes uniques, chacun des sites étant adressable individuellement.<br /><br />En vue de réaliser des portes logiques à deux bits quantiques, nous avons choisi de nous orienter vers leur intrication conditionnelle. Celle-ci passe par le contrôle de l'émission de l'atome à l'échelle du photon unique, obtenue à la suite d'une excitation impulsionnelle. Nous avons conçu une chaîne laser délivrant des impulsions nanosecondes. Elle nous assure un contrôle cohérent de la transition fermée (5S1/2, F = 2, mF = 2) vers (5P3/2, F = 3, mF = 3). Nous avons observé des oscillations de Rabi et des battements quantiques sur des atomes uniques. En ajustant la puissance de la chaîne laser pour réaliser des impulsions pi, on obtient une source déclenchable de photons uniques qui présente un flux de hotons important et un faible taux d'impulsions contenant deux photons.

Les atomes neutres piégés sont des candidats potentiels pour<br />l'implémentation de portes logiques quantiques. Dans ce contexte, cette étude<br />porte sur la réalisation d'un piège dipolaire optique de si petite taille qu'il<br />ne puisse contenir qu'un atome unique. Pour cela, il est nécessaire de<br />focaliser très fortement un laser à l'endroit où l'on désire capturer les<br />atomes. L'expérience s'articule donc autour d'un objectif de microscope de<br />grande ouverture numérique, entièrement conçu et réalisé au laboratoire. Cette<br />optique est utilisée pour faire focaliser un laser au centre d'un piège<br />magnéto-optique, réservoir d'atomes froids alimentant le piège dipolaire ainsi<br />créé.<br /><br />Le dispositif d'observation des atomes piégés est basé sur le même objectif,<br />qui collecte, avec une grande efficacité, la fluorescence des atomes piégés et<br />en fait l'image sur une caméra CCD ou une photodiode à avalanche. La résolution<br />spatiale du dispositif utilisant la caméra permet d'obtenir une image des<br />atomes capturés, alors que l'on utilise la rapidité de la photodiode à<br />avalanche pour les études de la dynamique du piège avec une bonne résolution<br />temporelle.<br /><br />Après une description détaillée de ce dispositif expérimental, nous montrons<br />qu'il est possible de réaliser des micro-pièges dipolaires optiques, de<br />quelques microns cube et contenant une dizaine d'atomes. L'étude de la<br />dynamique de chargement et de la durée de vie de ces pièges révèle également la<br />présence de processus de collisions à deux corps. Nous montrons ensuite qu'en<br />diminuant le taux de chargement il est possible d'observer, en temps réel, un<br />atome unique piégé pendant quelques secondes. Dans ce régime, un processus de<br />"blocage collisionnel" limite ce nombre d'atome à un. Pour finir, nous<br />décrirons la mise en place d'un double piège dipolaire, dans lequel on peut<br />piéger un atome unique dans chaque site. Ce dispositif ouvre la voie vers<br />l'étude de l'interaction entre atomes piégés individuellement.