Non-demolition single atom detection by dispersive interaction with a mesoscopic field in a cavity

The detection of qubit states is an essential element in the realization of a quantum information experiment. In our system, the quantum bit is coded in the internal energy states of a circular Rydberg two-level atom. In this thesis we present a novel technique for the non-demolition state-sensitive detection of Rydberg atoms, based on the dispersive interaction of an atom with a microwave mesoscopic field contained in a high-quality superconducting cavity. The state-dependent atomic index of refraction shifts the field phase, and an homodyne procedure translates the information from the field phase to the intensity. The final field intensity is read out by a mesoscopic atomic sample. This technique is non-destructive, since the detection procedure does not ionize the atom, which is simply projected in the measured internal state. The technique, in addition, entangles the energy state of an atom to the excitation level of a many atoms sample, making it possible to create coherent superpositions of mesoscopic atomic states, which opens new perspectives for decoherence tests. We present the principle of the technique and numerous experimental results, as well as possible schemes of application.
La détection des états d'un qubit est un élément essentiel dans la réalisation d'expériences d'information quantique. Dans le système étudié, le bit quantique est codé dans les états d'énergie interne d'un atome de Rydberg circulaire à deux niveaux. Dans ce mémoire nous présentons une nouvelle technique de détection des atomes de Rydberg circulaires basée sur l'interaction dispersive d'un atome avec un champ micro-onde mésoscopique à l'intérieur d'une cavité supraconductrice de très grand facteur de qualité. L'indice de réfraction de l'atome, dépendant de son niveau d'énergie interne, déphase le champ micro-onde, et une procédure de détection homodyne transforme l'information codée dans la phase du champ en une information d'intensité. L'intensité finale du champ est lue par un échantillon mésoscopique d'atomes. Il s'agit d'une technique de détection non destructive, puisque le processus de détection n'ionise pas l'atome, mais le projette simplement dans l'état mesuré. De plus, le processus de détection intrique l'état interne d'un atome au niveau d'excitation d'un ensemble de plusieurs atomes, permettant de créer des superpositions cohérentes d'états atomiques mésoscopiques et ouvrant de nouvelles perspectives pour des tests de décohérence Nous présentons le principe de la technique et de nombreux résultats expérimentaux, ainsi que de possibles schémas d'application.