ATOMES ET CAVITÉ : PRÉPARATION ET MANIPULATION D'ÉTATS INTRIQUÉS COMPLEXES

We present here the realisation of a conditional quantum dynamics and the preparation of an entangled state of three quantum systems in a cavity quantum electrodynamics experiment. We couple atoms, prepared in a circular Rydberg state, to the mode of a very high $Q$ cavity, prepared in the vacuum state. At resonance, a reversible and coherent exchange of one quantum of excitation takes place : The quantum Rabi oscillation. By fixing the interaction time to a complete cycle of absorption and emission, we obtain a conditional dynamics : The quantum phase of the atom--field state changes if the mode contains a photon and if the atomic state is coupled to the mode. On the other hand, if the mode does not contain a photon or the atomic state is not coupled, the phase stays unchanged. We demonstrate this phase shift and we vary its value by detuning the mode frequency with respect to the atomic transition. Furthermore, we verify that the dynamics preserves the coherence of the sub-systems and hence results in an entangled state if they are initially prepared in state superpositions. We interpret the process in terms of a quantum logic gate and we analyse its limitations. In a second experiment, we prepare and analyse an entangled state between two atoms and the field, using successive and reversible operations. The first atom gets entangled with the field while interacting with it during a quarter of a Rabi oscillation. The second atom then undergoes, like in the first experiment, a complete Rabi oscillation. Being prepared in a superposition of the coupled and the uncoupled state, it equally becomes entangled with the field, and thus also with the first atom. Measurements in two orthogonal bases are carried out on the resulting three-system entangled state. An analysis of the experimental signals is presented. It confirms that the prepared state is in fact not separable. We discuss the perspectives opened by these experiments for quantum information processing.Nous présentons ici la réalisation d'une dynamique quantique conditionnelle et la préparation d'un état intriqué à trois systèmes quantiques dans une expérience d'électrodynamique quantique en cavité. Nous couplons des atomes, préparés dans un état de Rydberg circulaire, au mode d'une cavité de très haute surtension, préparé dans l'état vide. A résonance, un échange réversible et cohérent d'un quantum d'excitation entre l'atome et le champ a lieu : l'oscillation de Rabi quantique. En fixant le temps d'interaction à un cycle complet d'absorption et d'émission, nous obtenons une dynamique conditionnelle : la phase quantique de l'état atome--champ change si le mode contient un photon et si l'état atomique est couplé au mode. En revanche, si le mode ne contient pas de photon ou si l'état atomique n'est pascouplé, la phase reste inchangée. Nous démontrons ce changement de phase et nous faisons varier sa valeur en désaccordant la fréquence du mode par rapport à la transition atomique. De plus, nous vérifions que la dynamique préserve la cohérence des sous-systèmes, menant ainsi à un état intriqué si les deux sont initialement préparés dans des superpositions d'états. Nous interprétons le processus en termes d'une porte logique quantique et nous analysons ses limitations. Dans une deuxième expérience, nous préparons et analysons un état intriqué entre deux atomes et le champ en effectuant des opérations successives et réversibles. Le premier atome est intriqué avec le champ en interagissant avec ce dernier pendant un quart d'oscillation de Rabi. Le deuxième atome effectue ensuite, comme dans la première expérience, une oscillation de Rabi complète. Etant préparé dans une superposition de l'état couplé et de l'état non-couplé, il s'intrique également avec le champ, et donc avec le premier atome. Des mesures dans deux bases orthogonales sont effectuées sur l'état intriqué à trois systèmes résultant. Une analyse des signaux expérimentaux est présentée, confirmant que l'état préparé n'est effectivement pas séparable. Nous discutons des perspectives ouvertes par ces expériences pour le traitementquantique de l'information