Published September 28, 2011 | Version v1
Miscellaneous Open

Preparation and Stabilisation of a Non-Classical Field in Cavity by Quantum Feedback

Description

Feedback loops are central to most classical control procedures. A controller compares the signal measured by a sensor with the target value or set-point. It then adjusts an actuator to stabilize the signal around the target value. Generalizing this scheme to the quantum world must overcome a fundamental difficulty: the sensor measurement cause a random back-action on the system. In this manuscript, we demonstrate the first continuously operated quantum feedback loop. The system to be controlled is a mode of the electromagnetic field trapped in a very high finesse microwave Fabry-Perot cavity. Circular Rydberg atoms achieve a quantum non-demolition measurement of the photon number in the mode by the succession of weak measurements. Knowing the outcome of these measurements, and knowing all the experimental imperfections of the system, a classical computer estimates in real-time the density matrix of the field. It then calculates the amplitude of small classical microwave fields injected into the cavity in order to stabilize the field around a target state. In this thesis, we have been able to prepare on demand and stabilize Fock states containing from 1 to 4 photons. (author)

Abstract (French)

L'utilisation de boucles de retroaction est au coeur de nombreux systemes de controle classiques. Un controleur compare le signal mesure par une sonde a la valeur de consigne. Il dirige alors un actionneur pour stabiliser le signal autour de la valeur ciblee. Etendre ces concepts au monde quantique se heurte a une difficulte fondamentale: le processus de mesure modifie inevitablement par une action en retour le systeme a controler. Dans ce memoire, nous presentons la premiere realisation d'une boucle de retroaction quantique utilisee en continu. Le systeme controle est un mode du champ electromagnetique piege dans une cavite Fabry-Perot micro-onde de tres haute finesse. Des atomes de Rydberg circulaires realisent par une succession de mesures dites faibles une mesure quantique non-destructive du nombre de photons dans le mode. Etant donnes les resultats de ces mesures, et connaissant toutes les imperfections experimentales du systeme, un ordinateur de controle estime en temps reel la matrice densite du champ piege dont il deduit l'amplitude de champs micro-ondes classiques a injecter permettant de stabiliser l'etat du champ autour d'un etat cible. Dans ce memoire, nous montrons comment nous avons ete capables de preparer sur demande et de stabiliser les etats de Fock du champ contenant de 1 a 4 photons. (auteur)

Files

51056698.pdf

Files (29.9 MB)

Name Size Download all
md5:4980589bcdb65842cb45469fb4659e89
29.9 MB Preview Download

Additional details

Additional titles

Original title (French)
Preparation et stabilisation d'un champ non classique en cavite par retroaction quantique

Publishing Information

Imprint Pagination
223 p.
Report number
FRNC-TH--10843

Optional Information

Notes
112 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses