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Electrodynamique des systèmes simples

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Expériences d’intrication entre atomes et<br />

photons dans une cavité<br />

Des atomes de Rydberg «à deux niveaux» interagissent un à un<br />

avec le champ micro-onde d’une cavité supraconductrice ayant un<br />

très long temps d’amortissement, avant d’être détectés.<br />

Tests d’intrication, de logique quantique, de complémentarité et<br />

de décohérence


Ces expériences sont <strong>des</strong> versions modernes - et réelles - de<br />

l’expérience de pensée de Einstein et Bohr…<br />

Une boîte stockant un<br />

photon qui peut être<br />

libéré à la demande à un<br />

instant bien défini…<br />

Archives Niels Bohr,<br />

Copenhague<br />

La pesée de la boîte<br />

avant et après le départ<br />

du photon détermine son<br />

énergie. Cela viole-t-il la<br />

relation de Heisenberg<br />

Δ E.Δ T > h<br />

Ici, le champ est «pesé» et manipulé grâce aux atomes de<br />

Rydberg…


Boîte à photon construite par Gamow et exposée à l’Institut Niels Bohr


Boîte(s) à photon de l’ENS<br />

Dans sa dernière<br />

version, le montage<br />

comprend deux cavités<br />

ayant un temps<br />

d’amortissement de<br />

l’ordre de 100<br />

millisecon<strong>des</strong>,<br />

traversées par les<br />

atomes (une seule<br />

cavité en fonction pour<br />

le moment)


Plan <strong>des</strong> leçons 3 et 4<br />

1.Principes et métho<strong>des</strong> de l’électrodynamique en cavité (CQED)<br />

2. Expériences d’intrication et porte quantique en CQED<br />

3. Test de complémentarité en CQED<br />

4. Superpositions mésoscopiques d’états du champ (chats de<br />

Schrödinger)<br />

5. Décohérence du chat de Schrödinger


1.<br />

Principes et métho<strong>des</strong> de<br />

l’électrodynamique en cavité (CQED)


L’électrodynamique en cavité dans les<br />

domaines micro-onde et optique<br />

Mabuchi et Doherty, Science, 298, 1372 (2002)<br />

Une cavité avec <strong>des</strong> miroirs très réfléchissants conserve <strong>des</strong><br />

photons pendant un temps long. Des atomes traversent la<br />

cavité un par un ou sont piégés dedans. C’est la physique du<br />

couplage atome-photon au niveau de la particule unique.<br />

Nous nous limitons ici au domaine micro-onde.


CQED: une histoire d’oscillateur et de spins<br />

e<br />

g<br />

Le spin:<br />

un atome à<br />

2 niveaux<br />

Vers le domaine<br />

classique…<br />

Champ<br />

mésoscopique<br />

(n~5-100)<br />

2 Champ<br />

1 microscopique<br />

n=0<br />

L’oscillateur:<br />

un mode de la<br />

cavité<br />

Hamiltonien standard<br />

H = !! at<br />

" z<br />

2 + !! ca † a<br />

+ !# %& " +<br />

a + " $<br />

a † ' (<br />

Couplage fort<br />

! >><br />

Optique<br />

1<br />

T c<br />

,<br />

1<br />

T a<br />

! 20MHz,! 5MHz , ! 5MHz<br />

Micro " onde<br />

50kHz ! 1kHz ! 1Hz<br />

1Hz


Schéma général <strong>des</strong><br />

expériences<br />

Rev. Mod. Phys. 73, 565 (2001)


e<br />

g<br />

Les deux acteurs essentiels<br />

n = 51<br />

n = 50<br />

Circular Rydberg atoms<br />

Large circular orbit<br />

Strong coupling to microwaves<br />

Long radiative lifetimes (30ms)<br />

Level tunability by Stark effect<br />

Easy state selective detection<br />

Quasi two-level systems<br />

Le<br />

« spin »<br />

L’oscillateur<br />

Superconducting microwave cavity<br />

Gaussian field mode with 6mm waist<br />

Large field per photon<br />

Long photon life time (from 0.16ms in 1996 up to 130 ms now)<br />

Easy tunability<br />

Possibility to prepare Fock or coherent states with controlled<br />

mean photon number


Le couplage atome-cavité:<br />

fréquence de Rabi du vide<br />

0 photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

! / 2" = 50GHz (# = 6mm)<br />

V = 700mm 3<br />

Dipôle atomique géant<br />

X<br />

Champ <strong>des</strong> fluctuations du vide<br />

dans le volume V du mode<br />

D ! qa 0<br />

n 2 ! 2000qa 0<br />

E 0<br />

=<br />

!!<br />

2" 0<br />

V<br />

# 1.5 mV / m<br />

! = D.E 0<br />

!<br />

= 50 " 2# kHz


Le chemin vers les états circulaires: un processus<br />

adiabatique à 53 photons


Le contrôle de l’interaction atome-cavité: sélection de vitesse par<br />

pompage optique sensible à l’effet Doppler<br />

Rubidium level scheme with transitions<br />

implied in the selective depumping and<br />

repumping of one velocity class in the<br />

F=3 hyperfine state<br />

In green, velocity distribution before<br />

pumping, in red velocity distribution of<br />

atoms pumped in F=3, before being excited<br />

in circular Rydberg state


La détection <strong>des</strong> états de Rydberg circulaires<br />

par ionisation sélective<br />

n=51 n=50<br />

Le réglage du champ<br />

ionisant permet de<br />

discriminer deux états<br />

circulaires adjacents<br />

avec une fidélité<br />

proche de 100%.<br />

L’efficacité globale de<br />

détection est > 90%.


Etat cohérent du champ dans un mode<br />

n<br />

Produit en<br />

couplant la cavité<br />

à une source<br />

(courant<br />

classique<br />

oscillant)<br />

n=0<br />

Superposition poissonienne d’états<br />

nombre de photons:<br />

! = C n<br />

n , C n<br />

= e " ! 2 /2 ! n<br />

# ,<br />

n<br />

n!<br />

n = ! 2 , P(n) = C n<br />

2<br />

= e "n n n<br />

Représentation complexe<br />

Im( α )<br />

Amplitude |α |<br />

ϕ = ϕ 0 − ω c t<br />

Re( α)<br />

Cercle<br />

d’incertitude<br />

n!


e<br />

Oscillation de Rabi résonnante<br />

g<br />

e<br />

0 photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

0 photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

e<br />

+<br />

01<br />

photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

g<br />

cos (!t / 2) e,0 + sin (!t / 2) g,1<br />

Emission spontanée et absorption oscillante accompagnée<br />

d’intrication atome-champ<br />

En présence de n photons, le phénomène est accéléré (émission stimulée):<br />

cos (! n + 1t / 2) e,n + sin (! n + 1t / 2) g,n + 1<br />

Une dynamique simple à deux états (|e,n>, |g,n+1>)


Oscillation de Rabi dans le vide ou dans un petit<br />

champ cohérent: un test direct de quantification<br />

p(n)<br />

" ! n + 1t %<br />

n n<br />

P e<br />

(t) = ( p(n)cos 2 $<br />

# 2<br />

' ; p(n) = e )n<br />

&<br />

n!<br />

n<br />

0 1 2 3<br />

n<br />

n = 0 (n th = 0.06)<br />

n = 0.40 (±0.02)<br />

n = 0.85 (±0.04)<br />

n = 1.77 (±0.15)<br />

P e (t) signal Fourier transform Inferred p(n)<br />

Brune et al,<br />

PRL,76,1800,1996.


Pulses de Rabi<br />

(points de tricot quantique)<br />

Initial state<br />

|e,0><br />

|e,0> → |e,0> + |g,1><br />

pulse π / 2<br />

crée de l’intrication<br />

atome-cavité<br />

P e<br />

(t)<br />

0.8<br />

51.1 GHz<br />

51 (level e)<br />

0.6<br />

50 (level g)<br />

0.4<br />

Brune et al, PRL 76, 1800 (96)<br />

0.2<br />

0.0<br />

#<br />

e,0 ! cos "t & #<br />

$<br />

%<br />

2 '<br />

( e,0 + sin "t &<br />

$<br />

%<br />

2 '<br />

( g,1<br />

time ( μs)<br />

0 30 60 90<br />

Intrication microscopique


Pulses de Rabi<br />

(points de tricot quantique)<br />

|e,0> → |g,1><br />

|g,1> → |e,0><br />

|g,0> → |g,0><br />

(|e> +|g>)|0> → |g> (|1> +|0>)<br />

Pulse π copiant<br />

l’état de l’atome<br />

sur le champ et<br />

réciproquement<br />

P e<br />

(t)<br />

0.8<br />

51.1 GHz<br />

51 (level e)<br />

0.6<br />

50 (level g)<br />

0.4<br />

Brune et al, PRL 76, 1800 (96)<br />

0.2<br />

0.0<br />

#<br />

e,0 ! cos "t & #<br />

$<br />

%<br />

2 '<br />

( e,0 + sin "t &<br />

$<br />

%<br />

2 '<br />

( g,1<br />

time ( μs)<br />

0 30 60 90


Pulses de Rabi<br />

(points de tricot quantique)<br />

|e,0> → - |e,0><br />

|g,1> → - |g,1><br />

|g,0> → |g,0><br />

pulse 2π:<br />

dynamique conditionnelle<br />

et porte quantique<br />

P e<br />

(t)<br />

0.8<br />

51.1 GHz<br />

51 (level e)<br />

0.6<br />

50 (level g)<br />

0.4<br />

Brune et al, PRL 76, 1800 (96)<br />

0.2<br />

0.0<br />

#<br />

e,0 ! cos "t & #<br />

$<br />

%<br />

2 '<br />

( e,0 + sin "t &<br />

$<br />

%<br />

2 '<br />

( g,1<br />

time ( μs)<br />

0 30 60 90


2.<br />

Expériences d’intrication et porte quantique<br />

en CQED


Paire d’atomes intriqués par échange de photon<br />

V(t)<br />

g 2<br />

e 1<br />

+<br />

Champ électrique F(t) utilisé<br />

pour mettre les atomes 1 et 2<br />

en résonance avec C pour un<br />

temps t correspondant à <strong>des</strong><br />

pulses de Rabi π / 2 ou π<br />

+<br />

Hagley et al, P.R.L. 79,1 (1997)


Interféromètre atomique de Ramsey à phase<br />

contrôlée par le champ dans la cavité<br />

Les probabilités P e<br />

( ou P g<br />

=1-P e<br />

) de<br />

mesurer dans D l’atome dans e ou g<br />

oscillent en fonction de φ .<br />

Impulsions<br />

résonnantes π /2<br />

dans champs<br />

classiques R 1 -R 2<br />

avec déphasage<br />

accordable φ entre<br />

les deux<br />

La phase <strong>des</strong> franges de<br />

l’interféromètre atomique et leur<br />

amplitude dépendent de l’état<br />

du champ dans C, qui affecte de<br />

façon différente les amplitu<strong>des</strong><br />

de probabilité associées aux<br />

états e et g


Effet de la rotation de Rabi 2π sur le signal de<br />

Ramsey<br />

Cavité C résonnante sur la<br />

transition e-g (51-50).<br />

Interféromètre Ramsey R 1 -R 2<br />

résonnant sur la transition g-i<br />

(50-49)<br />

C<br />

e<br />

g<br />

g,1<br />

i,1<br />

!t =2"<br />

### $ e i" g,1<br />

!t =2"<br />

### $ i,1<br />

Rotation de Rabi d’angle 2π sur transition<br />

e-g dans 1 photon induit un déphasage de<br />

π entre les amplitu<strong>des</strong> de g et i<br />

R 1 -R 2<br />

i<br />

( i + g ) 1 ! ( i + e i" g ) 1<br />

( i + g ) 0 ! ( i + g ) 0<br />

Renversement <strong>des</strong> franges g-i<br />

lorsque le nombre de photons<br />

dans C passe de 0 à 1


g<br />

Franges de Ramsey conditionnées à la<br />

présence d’un photon dans C<br />

0 photon<br />

0 photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

1 photon<br />

1 photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

i<br />

Avec choix de phase<br />

convenable, l’atome est<br />

détecté dans g si n = 0,<br />

dans i si n = 1: porte<br />

quantique avec photon<br />

(0/1) comme qubit<br />

contrôle et atome (i/g)<br />

comme qubit cible<br />

0 photon<br />

g (sonde)<br />

R 1<br />

R<br />

e (source) 2<br />

Expérience avec 1 er atome source qui<br />

émet 1 photon avec probabilité 0.5<br />

(pulse Rabi π/2 sur transition e-g) et 2 nd<br />

atome sonde qui subit l’interférence<br />

Ramsey sur transition g-i


La porte quantique avec photon contrôle<br />

réalise une mesure non-<strong>des</strong>tructive (QND) du<br />

champ<br />

Control bit (the photon)<br />

| a > | a ><br />

σ x<br />

| b > | a b ><br />

Target bit (the atom)<br />

L’atome emporte une<br />

information sur l’énergie du<br />

champ sans changement<br />

du nombre de photon<br />

(pulse de Rabi 2π ), ce qui<br />

est très différent de la<br />

détection de photon<br />

usuelle (voir aussi cours du<br />

27 Mars)<br />

Brune et al, Phys.Rev.Lett. 65, 976 (1990)<br />

Nogues et al, Nature 400, 239 (1999)<br />

Rauschenbeutel et al, Phys.Rev.Lett. 83, 5166 (1999)<br />

S.Gleyzes et al, Nature,446, 297 (2007)


Combinaison de pulses de Rabi pour tricoter<br />

de l’intrication<br />

2 π Rabi<br />

pulse (QND)<br />

π /2 Rabi<br />

pulse<br />

π Rabi pulse<br />

+<br />

+<br />

Premier atome prépare 1 photon avec probabilité de 50% (pulse π / 2)<br />

et second atome lit le photon par méthode QND (pulse 2π )<br />

Three particle engineered<br />

entanglement<br />

(Rauschenbeutel et al,<br />

Science, 288, 2024 (2000)<br />

Troisième atome absorbe le champ (pulse π), produisant<br />

une corrélation à trois atomes.<br />

+


3.<br />

Test de complémentarité en CQED


Une expérience de pensée sur la<br />

complémentarité<br />

Discussion<br />

Einstein-<br />

Bohr à<br />

Solvay<br />

1927<br />

– Fente microscopique: recule sous le choc de la particule diffractée.<br />

Information sur le chemin et pas de franges<br />

Intrication<br />

particule-fente<br />

– Fente macroscopique: insensible à la particule diffractée (recul négligeable).<br />

Pas d’ information sur le chemin: les franges sont visibles<br />

– Les aspects onde et corpuscule sont complémentaires pour un objet quantique


Une version moderne de cette expérience<br />

avec un interféromètre de Mach-Zehnder<br />

_<br />

_ φ<br />

D<br />

Interférence entre deux voies.<br />

Comment obtenir une information sur le chemin


Un Mach-Zehnder avec une lame semiréfléchissante<br />

mobile<br />

_<br />

φ<br />

_<br />

D<br />

Lame massive: recul négligeable, pas d’information sur le chemin et franges<br />

Lame microscopique: recul important, information sur le chemin et pas de franges


Complementarité et intrication: analyse<br />

P<br />

quantitative<br />

a<br />

État initial de la lame séparatrice<br />

Etat final associé au chemin b (état cohérent)<br />

0<br />

!<br />

B 1<br />

b O<br />

_<br />

M'<br />

φ<br />

B 2<br />

M<br />

D<br />

_<br />

Etat du système “particule-lame”<br />

" = "<br />

a<br />

0 + "<br />

b<br />

!<br />

Le signal d’interférence est lié au degré d’intrication<br />

"<br />

a<br />

"<br />

b<br />

0 !<br />

Masse faible, recul important<br />

Intrication et pas de franges<br />

Grande masse, recul faible<br />

Pas d’intrication et franges<br />

0 ! = 0<br />

0 ! = 1


Complémentarité et décoherence<br />

L’intrication avec un autre système détruit l’interférence<br />

• Détecteur “explicite” (lame mobile/ détecteur externe)<br />

• “mesures” non contrôlées par l’ environnement (décoherence)<br />

_<br />

_ φ<br />

D<br />

Complémentarité, décoherence et intrication sont intimement liées


More realistic system: Ramsey interferometry<br />

• Two resonant π / 2 classical pulses on an atomic transition e/g<br />

a<br />

M<br />

B 1<br />

b<br />

R 1<br />

R 2<br />

0 10 20 30 40 50 60<br />

_ φ<br />

M'<br />

1.0<br />

B 2<br />

D<br />

Which path information<br />

Atom emits one photon in R 1<br />

or R 2<br />

P g<br />

0.8<br />

0.6<br />

0.4<br />

Ordinary macroscopic fields<br />

(heavy beam-splitter)<br />

Field state not appreciably affected. No "which path" information<br />

FRINGES<br />

Mesoscopic Ramsey field<br />

(light beam-splitter)<br />

Addition of one photon changes the field. "which path" info<br />

NO FRINGES<br />

0.2<br />

0.0<br />

Fréquence relative (kHz)


A system at the quantum/classical boundary<br />

Coherent field in a cavity<br />

• State produced by a classical<br />

source coupled for finite time to<br />

the cavity mode: field defined by<br />

complex amplitude α<br />

From quantum to classical<br />

• Vacuum or<br />

small field:<br />

• Large quantum fluctuations. A field at the<br />

single-photon level is a quantum object<br />

• Large field<br />

| α |<br />

a<br />

!<br />

• A picture in phase space<br />

(Fresnel plane)<br />

• Small quantum fluctuations. A field with<br />

more than 10 photons is almost a<br />

classical object.


Bohr’s experiment with a Ramsey interferometer<br />

Store one Ramsey field in a high Q cavity<br />

Atom-cavity interaction time<br />

tuned for π / 2 pulse<br />

Possible even if C empty<br />

Initial cavity state<br />

!<br />

– Intermediate atom-cavity state<br />

• Ramsey fringes contrast<br />

e<br />

S<br />

R 1<br />

R 2<br />

C<br />

_ φ<br />

( e, !<br />

e<br />

g,<br />

!<br />

g )<br />

1<br />

" = +<br />

2<br />

! !<br />

e<br />

g<br />

From<br />

quantum to<br />

classical<br />

g<br />

classical<br />

D<br />

_<br />

! " ! " !<br />

– Large field FRINGES<br />

e<br />

! = 0 , ! = 1<br />

g<br />

– Small field NO FRINGE<br />

e<br />

g


Quantum/classical limit for an interferometer<br />

Fringes contrast versus photon number N in first Ramsey field<br />

Fringes contrast<br />

0.8<br />

0.7<br />

0.6<br />

0.5<br />

0.4<br />

0.3<br />

0.2<br />

0.1<br />

0.0<br />

0 2 4 6 8 10 12 14 16<br />

N<br />

Bertet et al, Nature, 411, 166 (2001)<br />

Fringes vanish for quantum<br />

field<br />

photon number plays<br />

the role of the beamsplitter's<br />

"mass"<br />

An illustration of the ΔNΔΦ<br />

uncertainty relation :<br />

• Ramsey fringes reveal<br />

field pulses phase<br />

correlations.<br />

• Small quantum field: large<br />

phase uncertainty and low<br />

fringe contrast<br />

Not a trivial blurring of the<br />

fringes by a classical noise:<br />

atom/cavity entanglement<br />

can be erased


An elementary quantum eraser<br />

• Another thought experiment<br />

_<br />

_ φ<br />

D<br />

Two interactions with the same beamsplitter assembly erase the which path information<br />

and restore the interference fringes


Une “gomme quantique”<br />

• Une deuxième interaction avec le champ efface l’information sur le chemin<br />

1.0<br />

e,0<br />

_<br />

φ<br />

1<br />

2 e g<br />

e,0<br />

+<br />

( ,0 ,1 )<br />

|g,1><br />

0.9<br />

0.8<br />

0.7<br />

0.6<br />

0.5<br />

Pe<br />

0.4<br />

0.3<br />

0.2<br />

Atome trouvé dans g: un photon dans C<br />

quel que soit le chemin: pas d’ info<br />

donc franges<br />

0.1<br />

0.0<br />

10 12 14 16 18 20 22 24<br />

Des franges sans champs appliqués !<br />

– Interférence sans champ externe<br />

– Un outil pour <strong>des</strong> manipulations quantiques


4.<br />

Superpositions mésoscopiques d’états du<br />

champ<br />

(chats de Schrödinger)


e, n<br />

g, n<br />

Couplage non-résonnant atome-champ<br />

! 2 (z) (n + 1)<br />

z<br />

4"<br />

! "2 (z) n<br />

4#<br />

Pas d’échange<br />

d’énergie entre<br />

atome et champ<br />

(variation<br />

adiabatique du<br />

couplage)<br />

g<br />

e<br />

δ<br />

A la limite perturbative (Ω√ n+1 <br />

( 2 (t )<br />

4)<br />

= g ! "e i*<br />

φ<br />

atome dans e :<br />

|α e -iφ >


Mesure de la phase d’un champ cohérent par<br />

homodynage<br />

A, Auffeves et al, Phys.Rev.Lett. 91, 230405 (2003)<br />

P.Maioli et al, Phys.Rev.Lett, 94, 113601 (2005)<br />

φ<br />

φ r<br />

φ r =φ + π<br />

On ajoute au champ signal à<br />

mesurer un champ référence<br />

de même amplitude et<br />

phase φ r<br />

variable. Lorsque<br />

φ r<br />

=φ + π le champ<br />

résultant s’annule dans C<br />

(interférence <strong>des</strong>tructrice).<br />

g<br />

S<br />

Après injection du champ référence, un atome<br />

sonde dans g, résonnant avec C, est envoyé à<br />

travers C et son état final est mesuré. La probabilité<br />

P g de le trouver dans g passe par un maximum pour<br />

φ r<br />

=φ + π . En répétant un grand nombre de fois pour<br />

<strong>des</strong> valeurs différentes de φ r<br />

, on reconstruit P g<br />

(φ r<br />

) dont<br />

la variation reproduit la distribution de phase du champ<br />

signal.


Mesure du déphasage induit par un seul<br />

atome (indice de refraction mono-atomique)<br />

• Un champ cohérent est injecté dans C et un seul atome nonrésonnant,<br />

dans e ou g, déphase ce champ. Un champ de<br />

référence de phase variable est ensuite ajouté dans C et un<br />

second atome sonde dans g interagissant de façon résonnante<br />

avec le champ est envoyé à travers la cavité, puis détecté. On<br />

reconstruit ainsi, de façon statistique, grâce au signal fournie<br />

pafr le second atome, l’effet d’indice du premier atome<br />

Atome dans e<br />

g<br />

S<br />

Atome dans g<br />

e ou g


Déphasage induit par un seul atome sur un<br />

champ mésoscopique<br />

πQ(α)<br />

Champ cohérent<br />

contenant 29<br />

photons en<br />

moyenne.<br />

δ/2π = 50 kHz<br />

0.8<br />

_Q(_)<br />

0.7<br />

0.6<br />

1er Atome dans g<br />

Reference (pas de 1 er atome)<br />

1er Atome dans e<br />

0.5<br />

Déphasage<br />

de ± 39°<br />

0.4<br />

-100 -50 0 50 100<br />

_<br />

−50° 0° 50°<br />

φ r -π<br />

Le champ cohérent est un « mètre » dont la phase pointe dans deux directions<br />

différentes suivant que l’atome est dans e ou g: modèle simple d’ appareil de mesure


Préparation d’un chat de Schrödinger<br />

photonique<br />

Couplage dispersif<br />

d’un état cohérent<br />

avec un atome<br />

préparé dans une<br />

superposition<br />

d’états<br />

Impulsion<br />

classique π /2<br />

superposant e et<br />

g (R 1 )<br />

e<br />

|e>+|g><br />

S<br />

Source classique<br />

(injection<br />

initiale d ’un<br />

champ cohérent<br />

|α > )<br />

Le champ acquiert deux phases « à la fois », chaque composante<br />

étant corrélée à un état atomique: intrication entre un système<br />

mésoscopique (champ) et un objet microscopique (atome)<br />

+<br />

( g + e ) ! " # $# g ! "e i% + e ! "e &i%


Mesure de l’intrication atome-champ: encore<br />

la complémentarité<br />

S<br />

1ère impulsion<br />

(R 1<br />

)<br />

2ème impulsion<br />

(R 2<br />

)<br />

Détecteur<br />

e<br />

g<br />

Interféromètre de Ramsey avec chat de Schrödinger<br />

emprisonné dans C: le champ est un «mètre»<br />

renseignant sur le chemin suivi par l’atome. Si les<br />

états du champ sont quasi-orthogonaux (cercles<br />

d’incertitude disjoints), les franges de Ramsey<br />

disparaissent. Le contraste <strong>des</strong> franges permet de<br />

remonter au degré d’intrication atome-champ.<br />

Signal de Ramsey pour trois<br />

valeurs du déphasage φ entre les<br />

composantes du chat (φ est<br />

augmenté en diminuant δ)<br />

M.Brune et al, Phys.Rev.Lett.<br />

77, 4887 (1996)


Analyse quantitative <strong>des</strong> franges de Ramsey<br />

en présence du chat de Schrödinger dans C<br />

Contraste <strong>des</strong> franges en<br />

fonction de φ : leur<br />

disparition signale la<br />

séparation <strong>des</strong> deux<br />

composantes du champ<br />

(chat de Schrödinger)<br />

Déplacement <strong>des</strong> franges en<br />

fonction de φ . La pente donne<br />

une calibration absolue du<br />

nombre de photons (9.5 ici).<br />

Voir leçons de la semaine<br />

prochaine.


5.<br />

Décohérence du chat de Schrödinger


Décohérence du chat de Schrödinger: un<br />

exemple d’intrication et de complémentarité<br />

«chatons de<br />

Schrödinger» dans<br />

environnement<br />

0 photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

Intrication avec l’environnement (mo<strong>des</strong> extérieurs couplés par diffraction à C):<br />

( !e i" + !e #i"<br />

) $ E 0<br />

% &% !e i" $ E +<br />

(t) + !e #i" $ E #<br />

(t)<br />

Décroissance très rapide de < E + (t)| E - (t)> (fuite d’information dans<br />

l’environnement) correspondant à la transformation du chat en mélange<br />

statistique (disparition <strong>des</strong> interférences entre composantes du chat):<br />

!e i" + !e #i" $ $$$$$$ % !e i" !e i" + !e #i" !e #i"<br />

E + (t ) E # (t ) $ %$ 0<br />

Temps de décohérence:<br />

T D<br />

! T C<br />

/ n<br />

Décohérence d’autant plus efficace que n est plus grand


Observation de la décohérence par<br />

interférométrie de Ramsey à deux atomes<br />

Brune et al, Phys.Rev.A. 45, 5193 (1992)<br />

Atome 2<br />

R 1 R 2<br />

0 photon Atome 1<br />

R 1<br />

R 2<br />

Après R 1 et C, l’atome 1 est intriqué au champ. Il subit ensuite une seconde<br />

impulsion classique π / 2 dans R 2 :<br />

g ! "e i# + e ! "e $i# %% R 2<br />

& g $ e<br />

( ) ! "e i# + ( e + g ) ! "e $i#<br />

Il est finalement détecté dans |g> ou |e>, ce qui projette le champ dans l’un <strong>des</strong><br />

deux états « chat de Schrödinger »:<br />

±<br />

! chat<br />

= "e i# ± "e $i# (signe + : atome 1 dans g;<br />

signe - : atome 1 dans e)<br />

On suppose l’atome 1 détecté dans g. L’état |Ψ + chat> subit la décohérence<br />

pendant un temps t, puis le second atome («souris quantique sonde») est<br />

envoyé à travers le même dispositif et est à son tour détecté…


Observation de la décohérence par<br />

interférométrie à deux atomes (suite)<br />

0 photon Atome 1<br />

Atome 2<br />

R 1<br />

R 2<br />

Quand l’atome 2 entre dans C, l’état du système «champ+E+atome 2» est:<br />

( ) 2<br />

" #e i$ " E +<br />

(t) + #e %i$ " E %<br />

(t)<br />

! = e + g<br />

( )<br />

Après la traversée de C par l’atome 2, cet état est devient:<br />

!' = e 2<br />

" # " E +<br />

(t) + e 2<br />

" #e $2i% " E $<br />

(t) + g 2<br />

" #e 2i% " E +<br />

(t) + g 2<br />

" # " E $<br />

(t)<br />

e 2<br />

C<br />

e2<br />

2 chemins conduisent au même<br />

état final du champ | α > (dans<br />

les 2 cas, le 2 nd atome défait le<br />

déphasage induit par le 1 er )<br />

g 2<br />

C<br />

g 2<br />

|E + (t)> Les deux états finals sont corrélés à <strong>des</strong> |E - (t)><br />

états différents de E.


Observer la décohérence (suite)<br />

Après traversée de R 2<br />

par<br />

l’atome 2 , ses états sont<br />

mélangés à poids égaux,<br />

conduisant aux deux états<br />

finals associés à l’état |α ><br />

du champ:<br />

e 2 e2<br />

R 2<br />

g 2 g 2<br />

R 2<br />

! " ( e 2<br />

+ g 2 ) " E +<br />

(t) ! " g 2<br />

# e 2<br />

( ) " E #<br />

(t)<br />

Le système « champ+atome 2+E », après détection de l’atome 1 dans g est dans l’état:<br />

! /g1<br />

! " # %<br />

&<br />

e 2<br />

+ g 2<br />

( ) # E +<br />

(t) + ( g 2<br />

$ e 2 ) # E $<br />

(t)<br />

'<br />

(<br />

+ termes en "e±2i)<br />

On en déduit que les probabilités conditionnelles P g/g<br />

et P e/g<br />

de détecter le 2 nd atome<br />

dans g ou e après avoir détecté le premier dans g sont de la forme:<br />

P g/g<br />

= a + b Re( E +<br />

(t) E !<br />

(t) ) ; P e/g<br />

= a ! b Re( E +<br />

(t) E !<br />

(t) ) (a=1/2 et b=1/4)<br />

On construit un signal de corrélation atomique η = P g/g<br />

- P e/g<br />

= Re < E +<br />

(t)| E -<br />

(t) > /2<br />

proportionnel au recouvrement <strong>des</strong> états finals de E, qui décrit l’interférence quantique<br />

entre les deux composantes du chat crée par l’atome 1. Observer la décroissance de η<br />

en fonction du délai entre les deux atomes revient à une étude de la décohérence.


Le signal expérimental de décohérence<br />

M.Brune et al, Phys.Rev.Lett. 77, 4887 (1996)<br />

Comment les<br />

états du mètre<br />

décohèrent dans<br />

une mesure<br />

quantique<br />

Variation de η en fonction du délai entre les<br />

deux atomes pour deux valeurs de φ. La<br />

valeur maximale de η (0.5 idéalement) est<br />

réduite à 0.18 par <strong>des</strong> imperfections.


Ordres de grandeur de la taille <strong>des</strong> chats<br />

Le chat doit perdre sa cohérence plus lentement qu’il n’est préparé!<br />

Temps de décohérence:<br />

T D<br />

! T C<br />

/ n<br />

0 photon<br />

R 1<br />

R 2<br />

Temps de préparation T p (traversée de la cavité par atome):<br />

D'où la condition:<br />

progrès<br />

<strong>des</strong> cavités<br />

! 2 T p<br />

4" ! 1 # $# T ! 4"<br />

p<br />

! % 4 n<br />

2 !<br />

&<br />

T D<br />

! T p<br />

" #" n $ %T c<br />

'<br />

(<br />

4<br />

2/3<br />

)<br />

*<br />

+<br />

en 1996 : T C<br />

! 0.16 ms ! "! n # 5<br />

1999 ! 2005 : T C<br />

! 1 ms " #" n $ 16<br />

2006 ! 2007 : T C<br />

! 130 ms " #" n $ 400<br />

Voir cours du 27 Mars


Conclusion <strong>des</strong> leçons 3 et 4<br />

Atomes de Rydberg et photons micro-onde dans une cavité<br />

supraconductrice constituent un système idéal pour tester les<br />

fondements de la physique quantique (intrication,<br />

complémentarité, décohérence) et démontrer <strong>des</strong> étapes<br />

essentielles du traitement de l’information (portes quantiques).<br />

Les progrès récents <strong>des</strong> cavités (augmentation de leur temps<br />

d’amortissement de deux ordres de grandeur) ouvrent la voie à de<br />

nouvelles expériences: mesures non-<strong>des</strong>tructives de photons,<br />

étude de « chats » de grande taille, superpositions<br />

mésoscopiques non-locales dans deux ou plusieurs cavités,<br />

qui feront l’objet <strong>des</strong> deux dernières leçons…


13 Mars:<br />

Chapitres 1 et 2<br />

20 Mars:<br />

Chapitres 5,6 et 7<br />

27 Mars:<br />

Chapitres 6 et 7<br />

Exploring the Quantum<br />

Atoms, cavities and Photons<br />

S.Haroche and J-M.Raimond<br />

OUP (September 2006)

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