Senseur RF multi-fréquence à base d'atomes de Rydberg // Multi-frequency RF sensor based on Rydberg atoms

Les atomes de Rydberg, qui sont des atomes ayant un grand nombre quantique principal n, constituent l'un des systèmes quantiques les plus polyvalents : leurs propriétés uniques de détection peuvent être amplifiées et contrôlées par la sélection des états et l'application de champs électromagnétiques externes. La grande taille de ces atomes (proportionnelle à n2), et donc leur moment dipolaire potentiellement élevé, a suscité principalement un intérêt fondamental : elle a permis de nombreuses démonstrations pionnières en physique quantique, notamment celles de Serge Haroche, lauréat du prix Nobel en 2012. Plus récemment, les atomes de Rydberg sont devenus un élément central de la révolution des technologies quantiques : si leurs fortes interactions les rendent particulièrement intéressants pour l'information quantique, nous nous intéressons ici à exploiter leur extrême sensibilité à de très faibles niveaux de champ pour des applications potentielles dans le domaine de la détection et du traitement des signaux RF. Les laboratoires LUMIN et TRT travaillent depuis plusieurs années à la construction d'une expérience et ont récemment démontré de nouvelles fonctionnalités, telles que la possibilité d'augmenter la bande passante de détection grâce à des techniques de modulation optique.

Les capteurs basés sur les atomes de Rydberg ont le potentiel d'atteindre une détection RF à haute sensibilité sur une large gamme de fréquences (1 à 500 GHz) en utilisant une tête de capteur compacte (une cellule de vapeur atomique chaude). Cependant, la réalisation d'un tel capteur présente des défis scientifiques et nécessite une compréhension approfondie des interactions laser-matière. L'objectif ambitieux de ce projet de thèse est de développer un capteur RF multifréquence haute performance basé sur les atomes de Rydberg, en démontrant la capacité de passer rapidement d'une fréquence RF à une autre au sein de la même tête de capteur déportée, tout en maintenant une détection RF à haute sensibilité.
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Rydberg atoms, which are atoms with a large principal quantum number n, are one of the most versatile quantum systems: their unique sensing properties can be enhanced and controlled by the selection of the states and the application of external electromagnetic fields. The large size of these atoms (proportional to n2), and therefore a potentially high dipole moment, raised primarily fundamental interest: it enabled numerous pioneering demonstrations in quantum physics, including those of Serge Haroche who won the Nobel Prize in 2012. More recently, Rydberg atoms have been at the heart of the quantum technology revolution: if the strong interactions between these atoms makes them very interesting for quantum information, we are here interested in exploiting their extreme sensitivity at very low field levels for possible applications in the field of detection and processing of RF signals. LUMIN and TRT labs have been working for a few years on building an experiment and recently demonstrated new features such as the possibility increasing the detection bandwidth using optical modulation techniques.

Rydberg-based sensors have the potential to achieve high-sensitivity RF detection across a broad frequency range (1 to 500 GHz) using the same compact sensor head (a hot atomic vapor gas cell). However, realizing such a sensor presents scientific challenges and requires an in-depth understanding of laser-matter interactions. The ambitious objective of this PhD project is to develop a high-performance multi-frequency RF sensor based on Rydberg atoms, demonstrating the capability to rapidly switch RF frequencies within the same deported sensor head while maintaining a high sensitivity RF detection.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Programme COFUND LIGHTinPARIS

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

- Physique quantique élémentaire - Optique et photonique expérimentales - Travail en équipe - Simulations informatiques
- Elementary quantum physics - Experimental skills in optics and photonics - Team work - Computer simulations