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Résumé de la thèse

Avec le développement de l'industrie électronique, on constate un nombre croissant de projets avec des contraintes matérielles et temporelles de plus en plus élevées, ce qui conduit à l'utilisation de FPGA (Field Programmable Gate Arrays). Pour cela, le concepteur doit avoir une bonne connaissance de la programmation VHDL car cela nécessite beaucoup de formation et de pratique pour maîtriser ces architectures. Mais même pour les spécialistes, le processus de développement prend beaucoup de temps. Par conséquent, le développement d'un outil pour aider les utilisateurs non experts à travailler sur FPGA est nécessaire. Des outils tels que Simulink+HDL coder proposent une interface graphique pour créer un design en posant des blocs sur un tableau et en les connectant. Malheureusement, ce type d’outil souffre de deux défauts. Le premier est qu'il ne prend pas en compte les caractéristiques physiques de l'architecture cible. L'autre est qu'il ne vérifie pas si les flux de données entrant sont traités correctement par le design. Cela oblige le développeur à créer de nombreux tests, ce qui est fastidieux et consommateur en temps. Par conséquent, ce n’est pas une solution adaptée pour produire des applications dans un environnement en temps réel et des contraintes matérielles strictes.

Pour gérer la complexité et la taille croissante des designs, l’abstraction est devenue graduellement essentielle. Des modèles ont émergé afin de représenter un design comme un graphe d’acteurs (c.a.d. de blocs), avec une analyse statique de l’exécution du graphe. Néanmoins, ces modèles sont basés sur une description plus ou moins fidèle du comportement d’architecture réelles telles que les FPGAs.

Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l'étude d’un nouveau modèle et d’un nouvel outil logiciel pour aider les utilisateurs non experts à concevoir automatiquement des implémentations correctes de FPGA. Les principales contributions sont résumées comme suit :

1. Les limitations des modèles SDF existants, en particulier ceux du modèle SDF-AP, sont décrites et illustrées par l'analyse d'exemples caractéristiques. Les deux problèmes les plus courants rencontrés dans les implémentations d'assemblages de blocs sont la production de résultats incorrects et la croissance infinie de la taille du tampon.

2. Nous proposons un nouveau modèle appelé « Actors with Stretchable Access Patterns » (ASAP) qui décrit le comportement matériel de façon moins limitée que les approches antérieures. Il s'agit d'une manière originale de résoudre le problème d'ordonnancement des acteurs, adaptée aux FPGAs. Il permet de déterminer l'exactitude mathématique d'une exécution sans lancer de simulations complexes. Il peut non seulement modéliser correctement les comportements des acteurs, mais aussi éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus. Des algorithmes implémentant ces principes sont également fournis.

3. Nous avons étudié des stratégies et des algorithmes connexes pour analyser un graphe représentant un design. L’exactitude du traitement peut être analysée par une série d'algorithmes permettant par exemple la vérification de la vitesse des flux et la vérification de la compatibilité des patterns. Il est ainsi possible de calculer la vitesse de décimation ou la longueur de délais à appliquer sur les entrées lorsqu'une erreur de correction est détectée.

4. Un logiciel d’aide à la création de design est également développé. Il est appelé BlAsT (Block Assembly Tool) et vise à compenser les inconvénients des outils similaires tels que Simulink + HDL. Dans BlAsT, les algorithmes du modèle ASAP sont utilisés pour vérifier que pour un flux d'entrée donné, le système peut produire un résultat correct et finalement générer des codes VHDL directement utilisables sur une carte FPGA réelle. De plus, l'outil détermine automatiquement les décimations et les modifications requises. Ainsi, un utilisateur sans aucune compétence de programmation, est capable créer un design pour FPGA.

Texte intégral

Mots clés

Modélisation de designs, SDF

Résumé de la thèse

Cette thèse décrit une horloge atomique à cellule de césium de haute-performance basée sur le phénomène de piégeage cohérent de population (CPT). Cette horloge associe les éléments suivants : une diode laser DFB (à 895 nm, raie D1 du césium), un modulateur électro-optique fibré, un modulateur acousto-optique, un système Michelson, une électronique bas bruit contrôlée par une carte FPGA et une cellule à vapeur de césium contenant un mélange de gaz tampon azote-argon. L’horloge exploite un schéma de pompage CPT optimisé nommé push-pull optical pumping (PPOP) permettant la détection de résonances CPT à fort contraste.

L’horloge repose sur l’exploitation d’un nouveau protocole d’interrogation pulsé nommé Auto-Balanced Ramsey (ABR). Ce dernier repose sur l’utilisation de deux séquences Ramsey avec des temps noirs de durées différentes.

La mise en place de ce protocole ABR-CPT, amélioré par la suite avec symétrisation (SABR-CPT), conduit à une réduction drastique des effets de déplacement lumineux, avec en particulier une diminution de la sensibilité de la fréquence d’horloge aux variations de puissance laser par un facteur 80 comparativement à une interrogation Ramsey-CPT conventionnelle. Cette horloge CPT démontre à ce jour une stabilité relative de fréquence de 2×10-13 τ-1/2, atteignant le niveau record (pour ce type d’horloge) de 2,5×10-15 à 104 s.

Des travaux annexes de spectroscopie laser en microcellules à vapeur de césium sont aussi reportés dans ce manuscrit. On notera en particulier la démonstration d’un laser stabilisé par spectroscopie sub-Doppler bi-fréquence dans une microcellule Cs avec une stabilité de fréquence préliminaire meilleure que 2×10-12 à 1 s. Ces performances sont 10 fois meilleures que celles de micro-horloges atomiques micro-ondes CPT.

Mots clés

horloge atomique, cellule à vapeur de césium, piégeage cohérent de population, auto-balanced Ramsey, stabilité relative de fréquence, spectroscopie laser


THOMAS M., ZIANE D., PINOT P., KARCHER R., IMANALIEV A., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S., PIQUEMAL F. et ESPEL P., "A determination of the Planck constant using the LNE Kibble balance in air", Metrologia, 54, 2017, DOI: 10.1088/1681-7575/aa7882



BEAUDOUX F., PINOT P., ESPEL P., THOMAS M., SILVESTRI Z., ZIANE D. et PIQUEMAL F., « Dissémination en France de l’unité de masse après sa redéfinition », RFQM, Nantes, France, 27 - 30 mars 2017.


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PIQUEMAL F., "Present and future mass standards for the LNE watt balance and the future dissemination of the mass unit in France", Metrologia, 53, 2016, 1139-1153, DOI:10.1088/0026-1394/53/4/1139

PINOT P., ESPEL P., LIU Y., THOMAS M., ZIANE D., PALACIOS-RESTREPO M.-A. et PIQUEMAL F., "Static phase improvements in the LNE watt balance", Review of Scientific Instruments, 87, 2016, DOI: 10.1063/1.4964293

THOMAS M., ESPEL P., ZIANE D., PIQUEMAL F., PINOT P., JUNCAR P., SILVESTRI Z., PLIMMER M., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S. BEAUDOUX F., BENTOUATI D., BRUNET F., JEANJACQUOT P. et MADEC T., « Approche du LNE pour la réalisation et la mise en pratique du kilogramme dans sa nouvelle définition », Revue française de métrologie, 2017, 49-57, DOI: 10.1051/rfm/2016015



ESPEL P., THOMAS M., ZIANE D., PINOT P. et PIQUEMAL F., "Static Phase Improvements in the LNE watt balance", Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016), Ottawa, Canada, , DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540579, 10-15 juillet 2016.


Résumé de l'HDR

Utilisation de l’interférométrie à atomes froids pour mesurer des effets gravitationnels et inertiels.

Mots clés

interférométrie atomique, capteurs inertiels, ondes gravitationnelles, atomes froids, principe d'équivalence

Résumé de la thèse

Cette thèse a pour objectif l’amélioration de l’exactitude du gravimètre atomique du LNE-SYRTE. Ce gravimètre utilise des techniques d’interférométrie atomique pour déterminer l’accélération de la pesanteur g subie par des atomes de rubidium 87 en chute libre. Il constitue la référence métrologique nationale pour la mesure de g et ses biais sont donc évalués avec la meilleure incertitude possible.

Au début de la thèse, l’incertitude était de 4,3 μGal (43 nm·s–2), dominée par l’incertitude associée au biais lié aux aberrations du front d’onde des lasers Raman utilisés pour réaliser les séparatrices lumineuses de l’interféromètre, à hauteur de 4,0 μGal à elle seule. Pour réduire cet effet, une source d’atomes ultra froids a été mise en œuvre et g a été mesuré sur une large gamme de températures. Le développement d’un modèle de l’expérience accompagné d’une simulation de l’impact des fronts d’onde sur la mesure a permis d’évaluer pour la première fois ce biais avec une incertitude record de 1,3 μGal, soit trois fois meilleure que précédemment. Un nouveau système de mesure a également été développé pour mesurer directement les puissances des faisceaux lasers Raman, qui sont des impulsions courtes. Il a permis de caractériser et contrôler ces puissances dont les fluctuations sont responsables de biais lors de la mesure de g, tels que les déplacements lumineux à un et deux photons. Cela a permis de mettre en évidence un nouveau biais qui dépend de l’aire totale des impulsions de l’interféromètre.

Le gravimètre fait partie intégrante de l’expérience de la balance de Kibble du LNE. Il a d’ailleurs permis de mesurer localement la valeur de g avec une faible incertitude pour déterminer la constante de Planck par la pesée d’un kilogramme. Les travaux menés au cours de cette thèse ont ainsi contribué à la révolution qu'a connue le Système international d'unités (SI), par la décision de réviser le SI en fixant la valeur numérique de 7 constantes dont la constante de Planck et en modifiant la définition du kilogramme, entrée en vigueur le 20 mai 2019.

Mots clés

gravimétrie, métrologie fondamentale, capteur inertiel, interférométrie atomique, transition Raman, atomes ultra-froids, piège dipolaire, balance de Kibble, redéfinition du kilogramme

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Résumé de la thèse

Les capteurs atomiques sont un outil de référence pour les mesures de précision du temps, des champs électriques et magnétiques et des forces d’inertie. Cependant, en absence d’une corrélation quantique entre atomes, le bruit de projection quantique constitue une limite fondamentale pour ces capteurs, appelée la limite quantique standard (SQL). Les meilleures horloges actuelles ont déjà atteint cette limite. Cependant, elle peut être surmonté en utilisant l’intrication quantique, dans un état comprimé de spin notamment. Ce dernier peut être crée par mesure quantique non-destructive (QND), en particulier dans le cadre de l’électrodynamique quantique en cavité (cQED).

Dans cette thèse, je présente la deuxième génération de l’horloge à atomes piégés sur puce TACC, dans laquelle nous combinons une horloge atomique compacte avec une plateforme cQED miniature pour tester les protocoles de métrologie quantique à un niveau de précision métrologique. Dans une mesure Ramsey standard, nous mesurons une stabilité de 6×10-13 à 1 s. Nous démontrons la compression de spin par mesure QND, atteignant 8(1) dB pour 1,7×104 atomes, limitée actuellement par la décohérence due au bruit technique.

Les collisions entre atomes froids jouent un rôle important à ce niveau de précision, donnant lieu à une riche dynamique de spin. Nous constatons que l’interaction entre mesures par la cavité et dynamique collisionnelle de spin se manifeste dans un effet d’amplification du signal de la cavité. Un modèle simple est proposé et confirmé par des mesures préliminaires. De nouvelles expériences sont proposés pour éclairer davantage la physique à N corps surprenante dans ce système d’atomes froids.

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Mots clés

dynamique de spin, électrodynamique quantique en cavité, états comprimés de spin, métrologie quantique, horloge atomique, microcircuit à atomes

Résumé de la thèse

Les horloges optiques ont révolutionné la métrologie du temps et des fréquences depuis le début des années 2000. Le support de travail de thèse est une horloge à réseau optique basée sur l’atome de mercure. Le mercure est un candidat prometteur pour les horloges à réseau du fait de sa faible sensibilité au rayonnement du corps noir. Un piège magnéto optique 2D a été exploité pour pré-refroidir les atomes de mercure avant leur interrogation. Cela permet non seulement de piéger un plus grand nombre d’atomes mais aussi d’améliorer le cycle d’horloge en diminuant le temps de cycle total. Ces améliorations ont permis de mesurer la durée de vie de l’état 3P0 et de participer à des campagnes de mesure à l’échelle européenne entre différentes horloges situées à plusieurs centaines de kilomètres l’une de l’autre. Nous avons ainsi pu mesurer pour la première fois le ratio de fréquence entre le mercure et l’ion ytterbium +. Les horloges optiques ont révolutionné la métrologie du temps et des fréquences depuis le début des années 2000. Dans ma thèse, j’ai travaillé avec une horloge à réseau optique basée sur l’atome de mercure. Le mercure est un candidat prometteur pour les horloges à réseau du fait de sa faible sensibilité au rayonnement du corps noir. Durant ma thèse, j’ai exploité un piège magnéto optique 2D pour pré-refroidir les atomes de mercure avant leur interrogation. Cela permet non seulement de piéger un plus grand nombre d’atomes mais aussi d’améliorer le cycle d’horloge en diminuant le temps de cycle total. Ces améliorations ont permis de mesurer la durée de vie de l’état 3P0 et de participer à des campagnes de mesure à l’échelle européenne entre différentes horloges situées à plusieurs centaines de kilomètres l’une de l’autre. Nous avons ainsi pu mesurer pour la première fois le ratio de fréquence entre le mercure et l’ion ytterbium +.

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Mots clés

Horloge, métrologie, spectroscopie, optique, refroidissement laser, atomique

Résumé de la thèse

L'objectif est d'utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d'étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l'information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité. La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d'orthosilicate d'yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0,1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d'une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d'une certaine classe d'ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K. Le développement d'une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d'un signal dispersif est présentée, ainsi qu'une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l'effet du couplage avec un résonateur mécanique. Une première étude d'un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d'un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée. Enfin, une étude de l'effet de l'amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés a été menée.

Mots clés

cristaux dopés en terres rares, nanotechnologies, optomécanique, intéraction lumière-matière.