Generation of macroscopic spin singlets in cold atomic ensembles
Authors:   , Behbood Naeimeh 
Published: January 2024

(English) This thesis describes the generation of macroscopic spin singlets in a cold atomic ensemble by performing quantum non-demolition measurement. Toward this goal we have implemented a realtime shot-nose limited detection system, incoherent feedback and spin state preparation via optical pumping, an upgraded absorption imaging system and coherent rotation of atomic spin via magnetic field control. Working with a magnetically sensitive atomic system triggered the development of a vector field magnetometry technique. We demonstrate a fast three-axis optical magnetometer using cold, optically trapped 87Rb gas as a sensor. By near-resonant Faraday rotation we record the free-induction decay following optical pumping to obtain the three field components and one gradient component. A single measurement achieves shot-noise limited sub-nT sensitivity in 1 ms, with transverse spatial resolution of about 20 micrometer. We make a detailed analysis of the shot-noise-limited sensitivity. We apply entropy removal by measurement and feedback to a cold atomic spin ensemble. Using quantum non-demolition probing by Faraday rotation measurement, and feedback by weak optical pumping, we drive the initially random collective spin variable F toward the origin F = 0. We use inputoutput relations and ensemble quantum noise models to describe this quantum control process and identify an optimal two-round control procedure. We observe 12 dB of spin noise reduction, or a factor of 63 reduction in phase-space volume. The method offers a non-thermal route to generation of exotic entangled states in ultra-cold gases, including macroscopic singlet states and strongly correlated states of quantum lattice gases. We generate approximate singlet states using the tools of measurementinduced spin squeezing: quantum non-demolition measurement and coherent magnetic rotations . By squeezing all three spin components, we approach the zero spin noise. Using a cold Rubidium atomic ensemble and nearresonant Faraday rotation probing, we have observed up to 3 dB of squeezing relative to the standard quantum limit, and a violation of the generalized spin squeezing inequality by more than 5 standard deviations.

(Español) Esta tesis describe la generación del estado singlete de espín macroscópico formado por conjunto de átomos fríos mediante medidas cuánticas no destructivas. Para tal objetivo hemos implementado un sistema de detección en tiempo real limitado por propiedades fundamentales de la luz, "shot noise", así como un sistema de retroalimentación (feedback) incoherente, una preparación del estado de espín mediante bombeo óptico, una mejora del sistema de absorción de imágenes y un control del campo magnético para rotar de forma coherente el espín de los átomos. Trabajar con átomos sensibles al campo magnético desencadenó la necesidad de desarrollar una técnica pare medir el vector del campo magnético. Hemos demostrado un magnetómetro rápido, óptico, tri-axial que utiliza átomos de 87Rb atrapados ópticamente como sensor. Midiendo el decaimiento libre de la inducción (FID) a través de la rotación de Faraday con pulsos casi-resonantes obtenemos las tres componentes del campo así como una componente del gradiente. Una única medida está limitada por shot-noise y sensible en el rango sub-nT en 1 mili segundo, con una resolución espacial transversa de 20 micrómetros.
En el cuerpo de la tesis estudiamos con detalle la sensibilidad en el límite shot-noise. Reducimos la entropía en un conjunto de átomos fríos con medidas y feedback. Utilizando medidas cuánticas no destructivas con la rotación de Faraday, y aplicando un leve feedback por bombeo óptico, llevamos la distribución inicial aleatoria de la variable colectiva de espín F hacia el origen de coordenadas F = 0. Utilizando relaciones de entrada-salida y modelos colectivos de ruido cuántico para describir la interacción identificamos como rutina óptima repetir el proceso de medir y feedback dos veces. Experimentalmente observamos 12 dB de reducción del ruido del espín, o una reducción en el espacio de fases de un factor 63. Éste método ofrece un procedimiento no térmico para la generación de estados entrelazados exóticos en gases ultrafríos, incluyendo un estado de singlete macroscópico y estados fuertemente correlacionados en quantum lattice gases. Generamos aproximadamente estados singlete utilizando los recursos que inducen spin squeezing: medidas no destructivas y rotaciones magnéticas coherentes. Al reducir el ruido en las tres componentes del espín, nos acercamos al cero ruido de espín. Utilizando un conjunto de átomos fríos de Rubidio y rotaciones de Faraday casi-resonantes, hemos observado hasta 3 dB de squeezing relativos al límite cuántico estándar, y una violación de la generalización de la desigualdad para spin squeezing de más de 5 desviaciones estándar.