Mesure quantique non destructive répétée de la lunière: états de Fock et trajectoires quantiques

Measurement postulates, which define a Quantum Non-Demolition (QND) measurement, predict that the minimal perturbation on a measured object is a projection of its state. The measurement apparatus usually used work far beyond this minimal limit. In particular photodectors absorb the photons they detect, thus destroying them. In our cavity quantum electrodynamics experiment, circular Rydberg atoms and microwave photons confined in a superconducting cavity interact in the strong coupling regime. After the interaction, the two systems are entangled: each of them carries information about the other. In the detuned case, the effect of the interaction is a simple energy shift of the atomic levels, inducing a phase shift of the dipole proportional to the photon number, that can be measured by Ramsey interferometry. Atoms thus deliver information about the field photon number without having modified it. Following this principle, we could implement a repeated QND measurement of the photon number, thanks to our very long cavity lifetime. The photon number evolution in the presence of relaxation reveals sudden jumps called quantum jumps. Our experiment allowed the first observation of this behaviour for light. By describing the information delivered by each atomic detection according to Bayes law, we could follow the progressive collapse of a coherent state towards Fock states containing up to seven photons. The statistical analysis of our results gives a very clear illustration of quantum measurement postulates.Les postulats de la mesure, définissant une mesure Quantique Non Destructive (QND), précisent que la perturbation minimale sur un objet mesuré est une projection de son état. Les appareils de mesure habituellement utilisés se situent largement au-delà de cette limite minimale. Les photodétecteurs usuels en particulier absorbent, donc détruisent, les photons qu'ils détectent. Dans notre expérience d'électrodynamique quantique en cavité, des atomes de Rydberg circulaires et des photons micro-onde confinés dans une cavité supraconductrice interagissent dans le régime de couplage fort. A l'issue de l'interaction les deux systèmes sont intriqués: chacun d'eux emporte une information sur l'autre. Dans le cas désaccordé, l'effet de l'interaction est un simple déplacement d'énergie des niveaux atomiques, résultant en un déphasage du dipôle proportionnel au nombre de photons, mesurable par interférométrie de Ramsey. Les atomes délivrent donc une information sur le nombre de photons présents dans le champ sans l'avoir modifié. Selon ce principe, nous avons pu grâce au long temps de vie de notre cavité réaliser une mesure QND répétée du nombre de photons. L'évolution du nombre de photons en présence de relaxation révèle alors des sauts brusques, appelés sauts quantiques. Notre expérience a permis la première observation de ce comportement pour la lumière. En décrivant à l'aide de la loi de Bayes l'information délivrée par chaque détection atomique, nous avons pu suivre la projection progressive d'un état cohérent vers des états de Fock contenant jusqu'à sept photons. L'analyse statistique de nos résultats fournit une très claire illustration des postulats de la mesure quantique