Intrication de deux atomes en utilisant le blocage de Rydberg

Entanglement of two atoms using the Rydberg blockade

Laboratoire Charles Fabry de l'institut d'optique, Université Paris XI, Bât. 503, 91403 Orsay Cedex, France.

Résumé

Considérons un système quantique constitué de deux sous-systèmes : on dit qu'il est dans un état intriqué s'il existe des corrélations quantiques entre les états de ces derniers. La compréhension et la mise en œuvre d'états intriqués ont de nombreuses applications (métrologie quantique, étude des systèmes fortement corrélés, traitement quantique de l'information, etc.) et constituent le contexte général de ce travail de thèse.

Plus en détail, nous démontrons la réalisation d'un état intriqué de deux atomes neutres piégés indépendamment. Pour cela, nous exploitons le phénomène de blocage de Rydberg : lorsqu'on essaie d'exciter simultanément deux atomes séparés de quelques micromètres vers un état de Rydberg donné, la forte interaction entre atomes de Rydberg peut empêcher cette excitation simultanée. Dans ce cas, seul un des deux atomes est excité et l'on génère ainsi des corrélations quantiques entre les états des deux atomes, c'est-à-dire de l'intrication.

Dans notre expérience, deux atomes de ⁸⁷Rb dans l'état fondamental 5S_1/2 sont piégés chacun dans une pince optique microscopique, à une distance relative de 4 micromètres. En réalisant des transitions entre l'état 5S_1/2 et l'état de Rydberg 58D_3/2 par des transitions à deux photons, nous obtenons un état intriqué des deux atomes dans les sous-niveaux |5S_1/2, f = 1, m_f = 1〉 et |5S_1/2, f = 2, m_f = 2〉. Afin de quantifier l'intrication, nous mesurons la fidélité par rapport à l'état-cible en réalisant des transitions Raman entre ces deux sous-niveaux. La fidélité des paires d'atomes présentes à la fin de l'expérience est supérieure à la valeur seuil de 0,5, ce qui prouve la création d'un état intriqué.

Abstract

Consider a quantum system composed of two sub-systems: this system is said to be entangled if there are quantum correlations between the states of the latter. The understanding and the engineering of entanglement have implications in quantum metrology, quantum information processing and in the study of strongly correlated systems, and constitute the general context of this work.

In this thesis, we demonstrate the realisation of an entangled state of two independently trapped atoms. We generate entanglement using the Rydberg blockade. This phenomenon occurs when two atoms are close enough so that the interaction between two Rydberg atoms is strong: in this case the simultaneous excitation of the two atoms by the same driving pulse may be prevented. Thus, only one atom is excited and this creates quantum correlations between their states, namely entanglement.

In our experiment, two ground state (5S_1/2) ⁸⁷Rb atoms are independently trapped in optical tweezers, with a relative separation of 4 micrometers. By driving two-photon transitions between the 5S_1/2 state and the 58D_3/2 Rydberg state, we entangle the two atoms in the |5S_1/2, f = 1, m_f = 1〉 and |5S_1/2, f = 2, m_f = 2〉 sublevels. To quantify the amount of entanglement, we measure the fidelity with respect to the target state by driving Raman transitions between those two sublevels. The fidelity of the pairs of atoms present at the end of the experiment is higher than the threshold value of 0.5, proving the creation of an entangled state of the two atoms.