II) Interaction atome-cavit´e : mesure sans absorption d’un photon
unique.
L’atome `a deux niveaux interagit maintenant avec un mode du champ quantifi´e soutenu par une cavit´e
r´esonnante.Onrappellequecemodeestformellement´equivalent `a un oscillateur harmonique unidimensionnel
de fr´equence ω.Onnoteraaet a†les op´erateurs d’annihilation et de cr´eation associ´es.
1) Rappeler l’expression du hamiltonien du mode, Hc,enfonctiondeaet a†. Quelles sont ses ´energies propres ?
On notera |nl’´etat `anphotons. On s’int´eresse pour cette question aux niveaux du syst`eme atome-champ sans
couplage. Quels sont les ´etats propres de H0+Hc? Sont-ils des ´etats intriqu´es atome-champ ? Donner leurs
´energies. On posera Δ = ω0−ωet on supposera dans toute la suite 0 <Δω0.Repr´esenter graphiquement
la position de ces niveaux non coupl´es.
2) On consid`ere maintenant le couplage entre le dipˆoleatomiqueetlechampquantifi´e. L’op´erateur champ
´electrique s’´ecrit E=iE0(a−a†), o`uE0est une amplitude vectorielle r´eelle. Ecrire le hamiltonien d’inter-
action atome-champ Hi. Montrer qu’il fait intervenir quatre termes op´eratoriels et les interpr´eter physique-
ment. Montrer que deux d’entre eux ont une influence n´egligeable si ω≈ω0.End´eduire qu’on peut ´ecrire
Hi=−i¯h(Ω0/2)(aσ+−a†σ−).
3) Montrer que Hine couple que les niveaux |e, net |g, n +1.End´eduire que la diagonalisation du hamiltonien
total H=Ha+Hc+Hise ram`ene `a la diagonalisation s´epar´ee de hamiltoniens 2×2. On notera Hnla restriction
de Hau sous-espace {|e, n,|g, n +1}.OnposeHn=¯hω(n+1)11+Vn. Donner l’expression matricielle de Vn
(on notera Ωn=Ω
0√n+ 1). On associe `a l’espace {|e, n,|g, n +1} un spin 1/2(|e, n´etant assimil´e`a|+).
Donner l’expression de Vnen termes des matrices de Pauli associ´ees `a ce spin.
4) Donner les ´energies propres de Hn.Ses´etats propres sont appel´es ‘´etats habill´es’ (on notera |+,nl’´etat de
plus grande ´enegie, |−,ncelui de moindre ´energie). Montrer que :
|+,n=cosθn
2|e, n+isin θn
2|g, n +1;|−,n=sinθn
2|e, n−icos θn
2|g, n +1,(3)
o`uθnest d´efini par tan θn=Ω
n/Δ. S’agit-il d’´etats intriqu´es atome-champ ? Quels sont les r´esultats dans le cas
Δ=0?Repr´esenter dans ce cas graphiquement la position des quelques premiers niveaux habill´es (on suppose
Ωnω0). Quel est le niveau fondamental ?
5) L’atome entre dans le niveau |edans la cavit´er´esonnante (Δ = 0) contenant exactement |nphotons. Donner
l’expression de l’´etat |Ψ(t)du syst`eme `a l’instant tdans la base {|e, n,|g, n +1}.End´eduire la probabilit´e
Pe|n(t) de trouver l’atome dans l’´etat |e. Montrer qu’elle oscille entre z´ero et un `alafr´equence Ωn.
6) On se place maintenant et jusqu’`alafinduprobl`eme dans le cas Ω0Δω0. Montrer que les ´etats
habill´es |±,nsont pratiquement identiques, `a des phases pr`es, aux ´etats |e, net |g, n +1.End´eduire que le
nombre de photons ne change pas et que l’interaction atome-champ r´esulte simplement dans un d´eplacement
de l’´energie des niveaux |e, net |g, n. Donner ce d´eplacement au premier ordre non nul en Ω0/Δ.
7) En d´eduire que la pulsation de la transition atomique est d´eplac´ee, quand la cavit´e est dans l’´etat |n,
d’une quantit´es0(2n+ 1). Donner la valeur de la pulsation s0en fonction de Ω0et Δ. On place l’interaction
atome-cavit´e, durant un temps ti, entre les deux impulsions de champ classique d’un interf´erom`etre de Ramsey.
Montrer que les franges de Ramsey sont d´ephas´ees par l’interaction atome-champ d’une quantit´eΦquel’on
pr´ecisera. On r´ealise s0ti=π/2. Repr´esenter les franges pour une cavit´e vide et une cavit´e contenant un photon.
8) Comment choisir la phase φde l’interf´erom`etre de Ramsey pour que l’´etat atomique final soit corr´el´esans
ambig¨uit´e au nombre de photons (0 ou 1) dans la cavit´e(|ecorrespondant `a|1et |g`a |0)? La d´etection
de l’atome dans un niveau ou l’autre r´ealise alors une mesure du nombre de photons dans la cavit´e. Quelle est
la propri´et´e remarquable de cette mesure ? La cavit´e est initialement dans l’´etat (|0+|1)/√2. On envoie une
s´erie d’atomes dans le dispositif. Que peut-on s’attendre `aobserver?
9) On couple `alacavit´e une source classique r´esonnante `at= 0. Elle cr´ee, apr`es un temps t,un´etat coh´erent
d’amplitude α=vt. Donner le nombre moyen de photons en fonction du temps. A quel instant t1aura-t-on un
photon en moyenne ? Pendant le couplage cavit´e-source, on r´ealisedefa¸con r´ep´et´ee la mesure sans absorption
du nombre de photons par un atome. L’intervalle de temps τentre deux mesures est beaucoup plus court que
t1. Quelle est la probabilit´e de trouver 1 photon dans la premi`ere mesure ? Si on trouve z´ero photon, quelle est
la probabilit´e d’en trouver un dans la deuxi`eme mesure ? Que va-t-on observer finalement ? Au bout de combien
de temps en moyenne finira-t-on par d´etecter un photon ? Commenter.
10) La figure 2 pr´esente une s´erie de d´etections atomiques. Un atome dans |gcorrespond a un trait vertical
vers le bas, un atome dans |ea un trait vers le haut. Commenter cette figure.
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