Nonlinear quantum optics with a single Rydberg superatom coupled to a medium-finesse cavity

La production d'interactions entre photons optiques est une préoccupation majeure pour la mise en œuvre de protocoles de communication quantique, le calcul quantique photonique et l'exploration de fluides photoniques en interaction. Cette thèse présente une plateforme expérimentale conçue pour obtenir ces interactions via un petit ensemble d’atomes couplé à une cavité. Les photons injectés à travers le résonateur sont transitoirement convertis en excitations de Rydberg, caractérisées par de fortes interactions de van der Waals couvrant l’ensemble. Cette hybridation entre photons et excitations atomiques, aussi appelé polariton, permet d’atteindre des non-linéarités optiques entre quelques photons. La première partie de cette thèse présente le dispositif expérimental, aborde la construction et les choix techniques. La deuxième partie se concentre sur la caractérisation de l'expérience et les différentes étapes nécessaires pour atteindre de fortes interactions : la préparation d'un petit nuage atomique, le fort couplage collectif avec le résonateur, l'hybridation entre photons et excitations atomiques. La dernière partie présente deux expériences menées avec la plateforme. Dans la première, les fortes interactions obtenues par les excitations de Rydberg sont utilisées pour réaliser une mémoire quantique non linéaire. Ce mécanisme tronque un état cohérent et permet de produire efficacement des photons uniques. La deuxième expérience porte sur le contrôle et la détection à mesure unique d'une excitation Rydberg dans le nuage. En particulier, un atome de Rydberg est suffisant pour induire un changement de signe du champ réfléchi sur la cavité. Producing interactions between optical photons is a major concern for the implementation of quantum communication protocols, for photonic quantum computing, as well as for the exploration of interacting photonic fluids. This thesis presents a new experimental platform designed to obtain such interactions via a small atomic ensemble coupled to a cavity. The photons injected through the cavity are transiently converted into Rydberg excitations, characterized by strong van der Waals interactions spanning the whole atomic cloud. This hybridization between photons and atomic excitations, also called polariton, allows us to achieve strong optical nonlinearities at the single-photon level. The first part of this thesis presents the new experimental setup, its construction and the technical choices. The second part then focuses o