A Quantum Nanomechanical Oscillator Coupled to a Two-Level System in the Strong-Coupling Regime

Un oscillateur nanomécanique quantique couplé à un système à deux niveaux dans le régime de couplage fort Parmi les nombreux systèmes nanométriques opérant dans le régime quantique, les oscillateurs nanomécaniques se sont imposés comme des plateformes particulièrement performantes. Ils constituent des capteurs de haute sensibilité et peuvent assurer la médiation d’interactions entre la lumière et des systèmes quantiques localisés, jouant un rôle central dans diverses architectures de traitement de l’information quantique. En raison de leur masse relativement élevée, ils constituent également des systèmes de choix pour étudier la transition entre les régimes quantique et classique. Cette thèse étudie la dynamique d’un oscillateur nanomécanique couplé à un système à deux niveaux soumis à un champ cohérent. L’analyse se concentre sur le régime des bandes latérales résolues, où le taux d’amortissement Γ du système à deux niveaux est bien inférieur à la fréquence mécanique ωm, et explore deux régimes : le couplage fort (ωm ≫ g0 ≫ Γ) et l’ultra-fort (ωm ∼ g0 ≫ Γ), g0 désignant l’intensité du couplage. Ces régimes permettent une manipulation cohérente de l’oscillateur tout en préservant sa nature quantique. Pour un pompage désaccordé vers le bleu, et en considérant un faible amortissement mécanique, le système évolue vers un régime d’instabilité dynamique, marqué par l’émergence de cycles limites. Cette transition est accompagnée de fluctuations importantes dans l’émission de photons, s’écartant de la statistique de Poisson. Les fluctuations du nombre de phonons suivent un comportement analogue, offrant un autre indicateur expérimental de cette transition. Lorsque g0 devient comparable à ωm, l’oscillateur atteint un état stationnaire non classique. La distribution des phonons évoque celle d’états de Fock, et la distribution quasi-probabiliste dans l’espace des phases présente des régions négatives, une signature claire de non-classicité. Une méthode est proposée pour détecter ces signatures à partir de la lumière émise par le système à deux niveaux, permettant de reconstruire l’état quantique du système. La robustesse de cette méthode face à des sources de bruit réalistes est étudiée en détail. La réponse du système sous excitation bichromatique est aussi examinée. Un modèle spécifique est développé pour le régime de fort couplage. Lorsque les deux champs sont accordés sur les premières bandes latérales bleue et rouge, l’oscillateur atteint un état stationnaire comprimé. Si les deux excitations sont désaccordées vers le rouge, le système évolue vers une superposition d’états cohérents, rappelant un oscillateur excité de manière paramétrique. Dans ces deux cas, des signatures non classiques émergent dès que g0 ∼ ωm. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur la génération, la stabilisation et la détection d’états mécaniques non classiques et comprimés. Ils ouvrent des perspectives pour le développement de systèmes quantiques hybrides et pour l’exploration expérimentale des limites de la mécanique quantique.