eQUANDIS — Opérations quantiques efficaces avec des atomes froids fortement couplés à des guides d'onde à dispersion contrôlée

Réaliser de fortes interactions lumière-matière à l’échelle du photon unique est une étape clé sur la feuille de route des technologies quantiques. Récemment, les communautés de l’optique quantique et de l’information quantique ont vu l’émergence de l’électrodynamique en guide d’ondes (waveguide QED), un domaine dans lequel l’interaction atome-photon est augmentée sans cavité en utilisant des guides d’ondes sub-longueur d’onde qui confinent le champ électromagnétique transversalement à des dimensions beaucoup plus petites que la longueur d’onde. Différentes plateformes de waveguide QED coexistent, chacune ayant ses propres avantages et inconvénients : des qubits supraconducteurs couplés à des lignes à transmission aux fréquences micro-ondes, des boîtes quantiques dans des structures nanophotoniques, et des atomes froids piégés le long d’une nanofibre. Cependant, à l’heure actuelle, aucun système ne permet d’avoir à la fois un grand nombre d’émetteurs et une grande force de couplage. Ce régime d’interaction est largement inexploré en waveguide QED et le rôle de la dispersion du guide d’ondes est encore inconnue. Le projet eQUANDIS a l’ambition de réaliser pour la première fois des expériences d’optique quantique non-linéaire dans ce régime et de découvrir quel est l’impact de la dispersion du guide. Nous visons la réalisation d’un switch optique fonctionnant avec un seul photon. Pour atteindre ces objectifs, nous utiliserons des atomes froids piégés le long d’un guide d’ondes peigne asymétrique dans lequel se propage un mode lent. La brisure de symétrie transverse de ce type de guides à cristaux photoniques permet de réaliser une ingénierie de la dispersion au-delà de la forme parabolique habituelle. Le projet eQUANDIS réunit 5 équipes avec des compétences complémentaires : nanophotonique théorique et numérique, design inverse à l’aide d’algorithmes d’optimisation avancés, nanofabrication, optique quantique théorique, expériences avec des ensembles d’atomes froids.