Synchronisation avec la séquence expérimentale

Dans les deux parties précédentes, nous avons vu comment nous comptons utiliser la carte compteur pour la détection atomique, et la carte DIO32 pour l'injection des champs cohérents de contrôle. Le chapitre II a quant à lui donné le détail des calculs qui devront être faits par la carte CPU. Si leurs fonctionnements individuels ont donc déjà été donnés, nous n'avons pas encore expliqué comment ces cartes fonctionneront ensemble, et au sein d'une architecture expérimentale plus vaste : l'ancien système est toujours utilisé pour toute l'excitation des atomes, les impulsions de champ micro-ondes dans les zones de Ramsey, le déclenchement des rampes d'ionisation. . . Là est tout l'objet de cette section.

Le fonctionnement de l'ordinateur de contrôle, au cours d'une expérience de rétroaction quantique, est subdivisé en trois grandes phases : une phase d'initialisation, une phase correspondant au déroulement de l'expérience elle-même, et enn une phase de terminaison. Initialisation Avant de lancer le premier atome de Rydberg à travers la cavité, les cartes de l'ordinateur de contrôle doivent être préparées :

 Au niveau du CPU, sont initialisées toutes les variables nécessaires au calcul futur des corrections cohérentes. C'est notamment dans cette phase que tous les paramètres ex-périmentaux (temps séparant deux échantillons atomiques, calibration des injections, phase de l'interféromètre. . .) sont mis dans la mémoire de la carte ;

la diode contrôlant la phase d'injection. Nous n'aurons ainsi à modier [s0s_π] que lorsque le régulateur aura décidé d'injecter un champ de phase π. À la n de la phase d'initialisation, la carte DIO32 est donc dans l'état

s⁰_MW = 010. (III.1)

 Au cours de cette première phase enn, la carte compteur, mise en mode Comptes, voit son horloge déclenchée. L'ordinateur commence donc à compter les impulsions en sortie du détecteur à atomes quelques secondes à quelques minutes4 avant l'ionisation du premier atome.

Expérience Une fois l'ordinateur de contrôle de la rétroaction ainsi préparé, il ne nous

reste plus qu'à démarrer la séquence expérimentale5. Comme nous l'avons évoqué

précé-demment, une grande partie en reste pré-programmée. Puisque seules les impulsions micro-ondes vers la cavité sont contrôlées par l'ADwin, la préparation des atomes (impulsions laser, radio-fréquence et micro-onde), la manipulation de leur état interne (impulsions π/2 dans les zones de Ramsey), et leur détection (déclenchement de la rampe d'ionisation, et génération des impulsions porte) voient tous leurs paramètres et minutages contrôlés par le système NI. Retenons pour l'instant seulement que :

 un échantillon atomique est préparé tous les Ta = 82 µs,

 1104 µs après l'impulsion laser d'excitation, la rampe de détection est générée. Celle-ci dure 21 µs mais la fenêtre de détection des atomes |gi, qui vient chronologiquement après celle des atomes |ei, est close 11 µs après son déclenchement. Par conséquent, 1115 µsaprès l'impulsion laser, la détection de tous les niveaux à détecter est achevée. Du point de vue de l'ancien système de contrôle, la séquence programmée ne dière alors de celle utilisée pour la mesure de franges de Ramsey dans le vide que par un seul point : une impulsion digitale supplémentaire est envoyée à chaque échantillon préparé, i.e. tous les Ta, sur l'entrée Event IN de la carte CPU de l'ADwin. C'est par cette impulsion, et par cette impulsion seule, que la synchronisation avec l'ordinateur chargé de la rétroaction est réalisée. Voyons maintenant de quelle façon.

4. Selon le temps de latence de l'utilisateur.

Chapitre III. La ré troac tion quan tique exp érimen talemen t Filtre quantique Lec

ture _{Filtre quantique}

Lecture Filtre quantique Lec ture

CPU

Co

mp

teur

Ev

en

t IN

DIO32

FIF

O

FIF

O

dé

tect

ions

Dio

des

PIN

Figure III.7  Synchronisation de l'ordinateur de contrôle. Piles FIFO : Elles sont symbolisées par des grilles, chaque case (niveaux de gris) correspondant à un élément de la pile. Elles sont remplies par le côte IN et vidées par le côte OUT. Carte compteur : À chaque impulsion porte reçue, générée par le système NI, un élément est ajouté à la pile. Celle-ci est vidée par la carte CPU. Carte CPU : Toutes les 82 µs, une impulsion Event IN (barres rouge et vertes) déclenche la lecture des comptes puis le calcul du ltre quantique. Le résultat est inséré dans la pile de la carte DIO32. Carte DIO32 : Son horloge est déclenchée par le top horloge généré par la carte CPU (barre rouge). 70 µs après chaque impulsion événement, l'injection débute (barres jaunes) : la pile FIFO est vidée.

été détectés : la quatrième et dernière impulsion porte a d'ores et déjà été reçue par la carte compteur, et sa pile FIFO contient les quatre comptes nécessaires au calcul des nombres ne et ng d'atomes |ei et |gi, respectivement, présents dans l'échantillon qui vient d'être détecté (bandeau supérieur du schéma de principe). La réception d'une impulsion événement entraîne dès lors la chaîne d'événements suivants :

 Dans un premier temps, la carte CPU accède à la pile FIFO du détecteur et lit les quatre derniers comptes qui y sont stockés (double èche en pointillés sur la gure) de sorte à calculer ne et ng. Notons qu'il est alors crucial que l'impulsion externe arrive sur la carte CPU après la dernière impulsion porte de la carte compteur. Suite à la lecture, la pile FIFO de la carte compteur est vidée ;

 Au vu des détections atomiques ne et ng, le ltre quantique actualise alors son es-timation de la matrice densité du champ dans la cavité, et le régulateur calcule l'amplitude et la phase du champ cohérent à injecter. Cette étape, matérialisée par un rectangle hachuré sur la gure III.7, est de durée variable. Le paragraphe III.4.1 explique comment nous la rendons aussi courte que possible ;

 Une fois la correction souhaitée αk calculée, il faut demander à la carte digitale de l'exaucer. Pour cela, la carte CPU accède à la pile FIFO de la carte DIO32 et y inscrit une séquence de couples (sMW, t), de la façon suggérée au paragraphe III.1.3. Ceci ne peut cependant marcher que si les horloges des cartes CPU et DIO32 sont bien synchronisées : le temps t, calculé par la carte du processeur, est interprété par la carte digitale. Pour ce faire, lorsque la carte CPU reçoit la première impulsion événe-ment (rectangle rouge sur la gure III.7), elle déclenche simultanéévéne-ment son horloge et l'horloge de la carte digitale (top horloge sur la gure). Notons par ailleurs que ces calculs sont faits de telle sorte que l'injection de la micro-onde débute un intervalle de temps xé, en pratique 70 µs, après la réception de l'impulsion événement. Elle com-mence ainsi toujours avant la réception de l'impulsion suivante. La gure III.8 donne la chronologie des impulsions digitales associées à un échantillon atomique unique. À chaque réception d'une impulsion événement, les trois étapes ci-dessus sont alors ré-pétées jusqu'à l'arrêt de la trajectoire quantique, selon un des critères donnés au chapitre II. Si l'expérience doit être répétée, une partie de la phase d'initialisation est reproduite (les variables par exemple existent déjà, il faut simplement leur donner leurs valeurs initiales) et le processeur se remet en attente d'un signal sur son entrée Event IN. Sinon, la phase de terminaison est lancée.

Terminaison Une fois l'expérience terminée, les horloges des cartes compteur et DIO32 sont stoppées, la carte digitale est remise dans son état par défaut, et l'exécution du programme s'arrête. Toutes les données enregistrées par l'ADwin au cours de l'expérience sont alors accessibles à un ordinateur externe.

Event IN

Lase

r

780

n

m

R

R

D

Figure III.8  Chronologie des impulsions digitales pour une préparation atomique unique. L'origine des temps correspond à l'impulsion laser excitatrice à 780 nm. L'atome ainsi préparé subit deux impulsions micro-ondes π/2, à t = 586 µs et 948 µs, dans les zones de Ramsey. Il est nalement détecté dans deux fenêtres temporelles closes à t = 1115 µs.

2 µs plus tard, une impulsion TTL est envoyée sur l'entrée Event IN de la carte CPU

de l'ADwin, qui réalise alors 70 µs plus tard une injection micro-onde dans la cavité. Par souci de lisibilité, l'échelle n'est pas respectée.