La cinquième leçon a étudié le comportement d’un ensemble d’atomes en présence d’une excitation vers un état de Rydberg et montré comment le mécanisme de blocage Rydberg pouvait être utilisé pour préparer des états atomiques collectivement intriqués. Le couplage au rayonnement de ces états peut conduire à la génération de « polaritons Rydberg », états d’excitation mixte de l’ensemble atomique et du champ. Ces polaritons peuvent évoluer adiabatiquement et réversiblement entre états purement atomiques et états purement radiatifs, ouvrant ainsi la possibilité de communication quantique, en transférant de l’information quantique stockée dans un premier ensemble d’atomes vers un champ optique, qui la transfère ensuite en une information recopiée dans un second ensemble atomique.
La leçon a commencé par analyser le principe de ces expériences. L’idée simple est qu’une excitation laser agissant sur un ensemble de N atomes contenus dans un volume sphérique de rayon inférieur au rayon de blocage Rydberg ne peut exciter qu’un atome, l’excitation étant symétriquement répartie entre tous les atomes de l’ensemble, formant un état collectivement intriqué. De plus, la fréquence de Rabi associée à cette excitation collective est proportionnelle à la racine carrée du nombre total N d’atomes, ce qui rend le couplage beaucoup plus rapide que dans le cas d’un ou deux atomes. L’intrication impliquant un atome de Rydberg excité a une durée de vie limitée par le temps d’émission spontanée de l’état de Rydberg. Elle peut être recopiée sur un ensemble d’atomes n’impliquant que des états fondamentaux en transférant par une impulsion laser l’état de Rydberg sur un sous-niveau fondamental (différent de l’état atomique initial). On prépare ainsi une excitation atomique collective stable dans un ensemble d’atomes à deux niveaux, ce qu’on appelle une onde de spin, dans laquelle N-1 atomes sont dans un état et un atome dans un autre, cette répartition étant symétriquement distribuée entre tous les atomes. Le processus peut être répété en excitant alors un second atome dans un niveau de Rydberg, puis en le transférant vers l’état fondamental, réalisant une excitation symétrique où N-2 atomes sont dans un niveau et 2 dans l’autre et ainsi de suite. La superposition de ces états peut constituer l’état général d’un qubit collectif couplé beaucoup plus fortement au champ qu’un qubit monoatomique et le couplage de deux qubit collectifs peut conduire à la réalisation de portes quantiques plus rapides que celles couplant des qubits monoatomiques.
