Atomic quantum metrology with narrowband entangled and squeezed states of light
Authors:   , Wolfgramm Florian 
Published: October 2023

The use of light, especially of laser light, is in many cases the most sensitive way to perform measurements. However, the highest sensitivity that can be achieved with laser light as probe is bounded by the standard quantum limit (SQL). As many instruments are approaching this fundamental limit, it becomes crucial to explore ways to overcome the SQL. Quantum metrology offers the possibilities to increase the sensitivities of the most accurate measurements beyond the SQL by using photonic quantum states of light as a tool. Two well-known classes of quantum states that provide a metrological advantage and break the SQL are squeezed states and a certain class of entangled states, called NOON states. While it is of special interest to apply these quantum states to atomic systems, such as atomic vapors, this requires quantum states of the highest quality in terms of purity, fidelity, brightness, and indistinguishability. Most importantly, for the probing of atomic systems, the quantum states need to be extremely narrowband to match the atomic linewidths. As NOON states are usually generated in a broadband spontaneous parametric down-conversion (SPDC) process, they are not compatible with narrowband atomic resonances.
The goal of this thesis was the generation of suitable narrowband entangled and squeezed quantum states of light and their application to atomic systems. To increase the rate of atom-resonant SPDC photons by orders of magnitude, we used a cavity-enhanced setup. Polarization-squeezed states and polarization-entangled NOON states were created. The spectral brightness of the generated NOON states is one of the highest of pairs of indistinguishable photons reported so far. The photon pairs were carefully characterized by full quantum state tomography showing high fidelities with a perfect NOON state. After filtering the photon source output by a novel filter based on the “interaction-free measurement” scheme, a cross-correlation measurement demonstrated its potential as a narrowband heralded single-photon source, needed for example in quantum information. To apply these states in a quantum metrology scheme and to show the metrological advantage, we chose an atomic magnetometer as a model system. The assembled shot-noise-limited magnetometer is based on the Faraday effect in a vapor of hot rubidium atoms. It could be demonstrated that both quantum states perform better in the magnetometer application than any classical state, i.e., they break the SQL. In the case of NOON states, this is the first use of multi-photon coherence in an atomic experiment. In addition to applications in quantum metrology, the presented techniques of quantum-light generation and filtering are also directly applicable to quantum information tasks, especially to the use in quantum memories.

El uso de la luz, en particular la luz láser es, en muchos casos, el método que permite realizar mediciones de la manera más sensible. No obstante, la mayor sensibilidad que se puede conseguir gracias a la luz láser como sistema de sondeo queda delimitada por el límite cuántico estándar (SQL). Visto que muchos instrumentos se están acercando a este límite fundamental, es crucial explorar formas de superar el SQL. La metrología cuántica ofrece la posibilidad de incrementar la sensibilidad de las medidas más precisas más allá del SQL empleando los estados cuánticos de luz como herramienta. Dos categorías conocidas de estados cuánticos que brindan una ventaja metrológica y rompen con el SQL son los estados “comprimidos” y ciertas categorías de estados entrelazados llamados estados “NOON”. Aunque es de especial interés aplicar estos estados cuánticos a los sistemas atómicos, como a los vapores atómicos, se requieren estados cuánticos de óptima calidad en términos de pureza, fidelidad, luminosidad e identidad. Lo más importante para los sistemas atómicos de investigación es que los estados cuánticos sean de banda extremadamente estrecha para que coincidan con el ancho de banda de átomos. Puesto que los estados NOON suelen ser generados en un proceso de conversión espontánea paramétrica descendente (SPDC) de banda ancha, no son compatibles con las resonancias atómicas de banda estrecha.
El objeto de esta tesis fue la generación de estados cuánticos de luz apropiados de banda estrecha, entrelazados y comprimidos, y su aplicación en los sistemas atómicos. Para incrementar el número de fotones generados por SPDC resonantes con la transición atómica por órdenes de magnitud, se empleó un sistema aumentado por un resonador. Se crearon estados de polarización comprimida y estados NOON de polarización entrelazada. La luminosidad espectral de los estados NOON generada supone una de las más altas que se hayan reportado hasta el momento entre pares de fotones idénticos. Los pares de fotones fueron cuidadosamente caracterizados por medio de una tomografía completa del estado cuántico que muestra la gran fidelidad con un estado NOON perfecto. Después de filtrar la producción de la fuente de fotones por medio de un novedoso filtro basado en el esquema “interaction-free measurement”, una medida de correlación cruzada demostró su potencial como fuente de fotones individuales anunciados de banda estrecha que resulta necesaria, por ejemplo, en la información cuántica. Para aplicar estos estados en un esquema de metrología cuántica y demostrar la ventaja metrológica, elegimos un magnetómetro atómico como sistema modelo. El montaje del magnetómetro delimitado por el límite cuántico estándar se basa en el efecto Faraday en un vapor de átomos de rubidio calientes. Se podía demostrar que el comportamiento de ambos estados cuánticos es superior en la aplicación con el magnetómetro que cualquier estado clásico, es decir, que superan el SQL. En el caso de los estados NOON, este es el primer uso de la coherencia multifotónica en un experimento atómico.
Además de las aplicaciones en la metrología cuántica, las técnicas presentadas de generación de luz cuántica y filtración también son directamente aplicables a las tareas de información cuántica, en especial al uso en las memorias cuánticas.