Light-matter interaction with atomic ensembles
Authors:   , Dubost Brice 
Published: January 2024

(English) The study of quantum light-matter interaction with atomic ensembles is an active
research area. This kind of system allows fundamental studies on measurement
in the context of continuous variables, in collective entanglement and in quantum
simulations. This field of research is also interesting in the context of quantum
metrology, quantum networking and quantum computation. In this thesis two
complementary aspects of light matter interaction with atomic ensembles have
been studied with trapped ions and cold neutral atoms. The trapped ion experiment
is intended to evaluate the possibility to use large ion clouds for realizing a
quantum memory with long coherence times. Whereas the cold atom experiment
focused on the use of quantum non demolition measurements to evaluate non-
Gaussian states. This experiment is similar to quantum networking experiment
currently planned.
Laser cooled trapped ions can reach a crystalline phase due to the strong
Coulomb repulsion between ions. In this phase the relative positions between
the ions is xed avoiding collisions and the ions to explore magnetic eld inhomogeneities
which can be a source of coherence loss. At low ion number, long
coherence times have been demonstrated. With large ion numbers, the trapping
mechanism can induce heating of the ion cloud thus making more di cult to obtain
the crystallized regime. During this thesis, large Coulomb crystals containing
more than 1x10 6 ions have been obtained and signature of electromagnetically
induced transparency in such system have been obtained. This study also revealed
limitations of this kind of systems which have to be further studied to
allow strong light matter interaction probability with cold large ion ensembles in
a regime allowing for long coherence times.
Neutral atoms systems allow strong light matter coupling probabilities but
usually reduced coherence times. Quantum memories, entanglement between
atoms and light, high precision magnetometry have been demonstrated with neutral
atomic vapors. The system used during this thesis is designed to allow strong
light matter coupling probability with detuned polarized light pulses, allowing to
precisely measure the spin state of the atomic system without destruction and low
noise. The measurement noise of the system is lower than the atomic noise opening
the way for collective entanglement (via measurement induced spin squeezing) and
ultra sensitive magnetic eld measurements. This system is closely related with
systems designed for quantum networking and quantum memories. Non Gaussian
atomic states are a resource for quantum computation and quantum communication,
in the context of atomic physics experiments, their detection can be di cult.
The work presented in this thesis focuses on the detection of non Gaussian states
in atomic ensembles using cumulants, and in particular their noise properties.

(Español) El estudio de la interacción luz materia con conjuntos atómicos es un área de investigación activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medición en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuánticas. Este campo de la investigación también es interesante en el contexto de la metrología cuántica, comunicación cuántica y la computación cuántica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interacción luz materia con conjuntos atómicos han sido estudiados con iones atrapados y átomos neutros fríos. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realización de una memoria cuántica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de átomos fríos se centró en el uso de medidas de no demolición cuántica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicación cuántica que se desarrollan actualmente.

Los iones atrapados enfriados por láser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsión de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnético que puede ser una fuente de pérdida de coherencia. Con bajo número de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo así más difícil de obtener el régimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene más de 1 x 10 6 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagnéticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio también reveló las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado más a fondo para obtenir una fuerte probabilidad de interacción con conjuntos de iones fríos en un régimen permitiendo largos tiempos de
coherencia.

Los sistemas de átomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuánticas, el entrelazamiento entre átomos y la luz, magnetometría de alta precisión han sido demostrados en experimentos relaciondaos con vapores atómicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha diseñado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precisión el estado de espín del sistema atómico sin destrucción y con bajo ruido. La medición del ruido del sistema es más baja que el ruido atómico, lo que podría inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atómicos (a través del squeezing de espines inducido por la medición) y mediciones de campo magnético ultra sensibles. Este sistema está estrechamente relacionado con sistemas diseñados para la creación de comunicación cuántica y memorias cuánticas. Los estados atómicos no gaussianos constituyen un
recurso para la computación cuántica y la comunicación cuántica, en el contexto de los experimentos de física atómica, su detección puede ser difícil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la detección de los estados no gaussianos en conjuntos atómicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medición de los cumulants.