Préparation et stabilisation d’un champ non-classique en cavité par rétroaction quantique
Clément Sayrin (LKB)

Infos Complémentaires

salle Cavaillès - 45 rue d’Ulm

mercredi 28 septembre à 14h30

Résumé :

L’utilisation de boucles de rétroaction est au coeur de nombreux systèmes de contrôle classiques. Un contrôleur compare le signal mesuré par une sonde à la valeur de consigne. Il commande alors un actuateur pour stabiliser le signal autour de cette valeur. Etendre ces concepts au monde quantique se heurte à une difficulté fondamentale : le processus de mesure modifie inévitablement par une action en retour le système à contrôler. Au cours de mon travail de thèse, nous avons réalisé pour la première fois une boucle de rétroaction quantique utilisée en continu. Le système contrôlé est un mode du champ électromagnétique piégé dans une cavité Fabry-Pérot micro-onde de très haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires réalisent par une succession de mesures dites faibles une mesure quantique non-destructive du nombre de photons dans le mode. Etant donnés les résultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections expérimentales du système, un ordinateur de contrôle estime en temps réel la matrice densité du champ piégé. Il en déduit l’amplitude optimale d’impulsions de champs micro-ondes classiques injectées dans la cavité, qui stabilisent l’état du champ autour d’un état cible. Nous avons été capables de préparer sur demande et de stabiliser les états de Fock du champ contenant de 1 à 4 photons.

Abstract :

Feedback loops are central to most classical control procedures. A controller compares the signal measured by a sensor with the target value or set-point. It then adjusts an actuator to stabilize the signal around this value. Generalizing this scheme to the quantum world must overcome a fundamental difficulty: the sensor measurements cause a random back-action on the system. During my PhD work, we have demonstrated the first continuously operated quantum feedback loop. The system to be controlled is a mode of the electromagnetic field trapped in a very high finesse microwave Fabry-Perot cavity. Circular Rydberg atoms achieve a quantum non-demolition measurement of the photon number in the mode by the succession of weak measurements. Knowing the outcome of these measurements, and knowing all the experimental imperfections of the system, a classical computer estimates in real-time the density matrix of the field. It then calculates the optimal amplitude of small classical microwave fields injected into the cavity in order to stabilize the field around a target state. In this thesis, we have been able to prepare on demand and stabilize Fock states containing from 1 to 4 photons.

salle Cavaillès - 45 rue d’Ulm