Coherent sensing of magnetic waveforms with spin-squeezed atoms
Authors:   , Martin Ciurana Ferran 
Published: October 2023

Optical magnetometers use magnetically-sensitive atomic ensembles and optical read-out to detect the amplitude of magnetic fields. They have become the most sensitive instruments for measuring low-frequency magnetic fields surpassing competing technologies like superconducting quantum interface devices (SQUIDs), and find applications in a variety of fields ranging from medicine, biology and geophysics, as well as tests of fundamental physics. However, their fundamental sensitivity is bounded by quantum mechanical behavior of the atoms, which gives rise to the standard quantum limit (SQL). As many instruments are approaching this fundamental limit, it becomes necessary to explore ways to overcome the SQL. Quantum metrology studies strategies to increase the sensitivity beyond the SQL by means of quantum engineering the atomic states.
In this thesis, we investigate the quantum enhanced detection of time varying radio-frequency magnetic fields using a cold atomic ensemble of 87Rb atoms held in an optical dipole trap. We first theoretically develop a new measurement technique based on stroboscopic back-action evading measurements that takes advantage of the atomic coherence. This measurement scheme is suitable for the detection of arbitrarily-chosen components of radio-frequency waveforms and includes radio-frequency magnetometry as a special case.
Experimentally, we demonstrate the capabilities of this technique using a linearly chirped waveform as a test case. As a first experiment, we demonstrate the selective response of the method in the coherently accumulated signal by the atoms. For this, we dispersively probe the atoms via Faraday rotation and non-destructively measure the induced magnetization.
In the last part of the thesis we demonstrate quantum enhanced magnetic field detection. In a measure-evolve-measure (MEM) sequence, a first stroboscopic quantum non-demolition (QND) measurement produces a state with reduced projection noise, followed by a period of free evolution where the atoms accumulate signal. A second QND measurement detects the change relative to the first measurement. We demonstrate entanglement-enhanced sensing of sinusoidal and linearly chirped waveforms, with metrologically-relevant noise reduction of _2m
=0.84(8) and _2m =0.80(3), respectively. We achieve volume-adjusted sensitivity of _B
p V _ 3.96 fT p cm3/Hz, comparable to the best radio-frequency magnetometers.

Els magnetòmetres òptics utilitzen conjunts d’àtoms sensibles magnèticament i lectura òptica per detectar l’amplitud de camps magnètics. S’han convertit en els instruments més sensibles per mesurar camps magnètics de baixa freqüència, superant tecnologies rivals com els dispositius superconductors d’interfície quàntica (SQUID), alhora que troben aplicacions en camps tan diversos com la medicina, la biologia, la geofísica, fins a proves de física fonamental. No obstant això, la
seva sensibilitat està fonamental limitada pel comportament quàntic dels àtoms que dóna lloc al límit quàntic estàndard (SQL). Donat que molts instruments s’aproximen a aquest límit fonamental, es imprescindible explorar maneres de superar-ho. La metrologia quàntica estudia estratègies per augmentar la sensibilitat més enllà del SQL mitjançant enginys quàntics en l’estat dels àtoms.
En aquesta tesi investiguem la detecció de camps magnètics de freqüència de ràdio amb un conjunt d’atòms freds de 87Rb mantinguts en una trampa de dipol òptic. En primer lloc, desenvolupem teòricament una nova tècnica de mesura basada en mesures estroboscòpiques que eviten la contra-acció de la mesura alhora que permet aprofitar la coherència atòmica. Aquest esquema de mesura és
compatible amb la detecció de components elegits arbitràriament de formes d’ona de freqüència de ràdio i inclou la magnetometria de radiofreqüència com a cas especial.
Demostrem experimentalment les capacitats d’aquesta tècnica utilitzant una forma d’ona de prova amb canvi de freqüència lineal. Al primer experiment, demostrem la resposta selectiva del mètode en la senyal coherent acumulada pels àtoms. Per aconseguir-ho, provem de forma dispersiva els àtoms amb la sonda Faraday i mesurem no destructivament oscil·lació de Rabi de la població atòmica
entre els subnivells magnètics dels nivells hiperfins de l’àtom.
A la darrera part de la tesi, demostrem la detecció de l’amplitud de camps magnètics amb precisió millorada gràcies a efectes quàntics. En una seqüència de mesura-evolució-mesura (MEM), una primera mesura quàntica, estroboscòpica i no destructiva (QND) produeix un estat amb soroll de projecció atòmic reduït. El segueix un període d’evolució lliure on els àtoms s’acumulen senyal. Una segona mesura QND detecta el canvi relatiu a la primera mesura. Demostrem detecció millorada per entrellaçament quàntic per a formes d’ona sinusoïdals i amb canvi de freqüència lineal, amb reduccions de soroll metrològicament rellevants ξ2m =0.84(8) i ξ2m =0.80(3), respectivament. Aconseguim una sensibilitat ajustada pel volum B p V 3.96 fT p cm3/Hz, comparable als millors magnetòmetres operant a freqüència de ràdio.