Reconstruction complète d’états non-classiques du champ en électrodynamique quantique en cavité
Samuel Deléglise (LKB)

Résumé :

Notre expérience d’électrodynamique quantique en cavité consiste en l’étude de deux
systèmes simples parfaitement contrôlés : des atomes à deux niveaux et un seul mode du champ
électromagnétique. L’utilisation de miroirs supraconducteurs a permis de réaliser des cavités
capables de stocker le champ électromagnétique micro-onde pendant plus d’un dixième de seconde.
Afin de sonder et de manipuler le champ piégé, nous utilisons des atomes de Rubidium
excités dans les états de Rydberg circulaires. Le couplage extraordinaire de ces "atomes géants"
au champ micro-onde permet d’atteindre le régime de couplage fort, et ainsi de sonder les propriétés
quantiques du champ piégé. Les atomes traversent un à un la cavité préalablement désaccordée
par rapport à leur fréquence de résonance. Ils se comportent ainsi comme de petites horloges
atomiques dont la fréquence est a-ectée par la présence de photons dans le mode grâce
au phénomène de déplacement lumineux. En mesurant par interférométrie de Ramsey les petites
modifications de la phase atomique après la traversée de la cavité, on arrive à compter le nombre
de photons piégés. Cette mesure a donné lieu à la première observation des sauts quantiques de
la lumière. En répétant cette mesure un grand nombre de fois sur le même état quantique, on
obtient la distribution de population des di-érents nombres de photons. En adaptant légèrement
la méthode précédente, on parvient à reconstruire complètement la matrice densité du champ
piégé. Nous avons appliqué cette technique à di-érents états non-classiques du champ : des états
de Fock, de nombre de photons bien déterminé et des états chat de Schrödinger. Ces derniers
sont formés de la superposition quantique de deux champs classiques de phases di-érentes. En
répétant la procédure de reconstruction pour plusieurs délais successifs après la préparation, on
obtient un film image par image de l’évolution temporelle de l’état. L’étude de l’évolution de
l’état chat de Schrödinger sous l’e-et de la décohérence apporte un éclairage intéressant sur
le problème de la mesure en mécanique quantique et la frontière entre les mondes classique et
quantique.

Abstract :
Our cavity Quantum Electrodynamics experiment consist of two simple and very
well controlled systems : two level atoms and a single mode of the electromagnetic field. The
use of superconducting mirrors allowed the realisation of microwave cavities able to store the
electromagnetic field for times up to a tenth of a second. In order to probe and to manipulate the
trapped field, we use Rubidium atoms excited in the circular Rydberg states. The extraordinary
coupling of these "giant atoms" to the microwave field allowed to reach the strong coupling
regime, and hence, to probe the quantum properties of the trapped field. The atoms cross one
by one the cavity detuned with respect to their transition. They thus behave as small atomic
clocks whose rate is a-ected by the presence of photons inside the mode through light-shifts.We
measure the small modifications of the atomic superposition’s phase after the atoms have crossed
the cavity with a Ramsey interferometry technic, allowing us to count the number of trapped
photons. This measurement scheme enabled the first observation of quantum jumps of light. By
repeating this measurement numerous times on the same quantum state, we have acces to the
populations of the di-erent photon numbers in the state. Modifing slightly this method, one can
reconstruct the full densiy matrix of the state. We applied this technic to several non-classical
states of the field : Fock states with a well determined number of photons, and Schrödinger’s
cat states, which are a quantum superposition of two classical fields with di-erent phases. By repeating the reconstruction scheme for several delays after preparation, we were able to record
a step by step movie of the time evolution of the state. The evolution of the Schrödinger’s cat
state under the e-ect of decoherence sheds new light on the problem of quantum measurement,
and the quantum to classical boundary.