Quantum metrology with high-density atomic vapors and squeezed states of light
Authors:   , Lucivero Vito Giovanni 
Published: October 2023

Nowadays there is a considerable progress in optical magnetometry and spin noise spectroscopy, which use magnetically-sensitive atomic ensembles and optical read-out, approaching the limits set by quantum mechanics. In recent years optical magnetometers have become the most sensitive instruments for measuring low-frequency magnetic fields, achieving sub-femtotesla sensitivity and surpassing the competitive superconducting quantum interference devices (SQUIDs), and have found applications in biomedicine, geophysics, space science as well as in tests of fundamental physics. Another emerging technique is spin noise spectroscopy (SNS), which allows one to determine physical properties of an unperturbed spin system from its power noise spectrum. In the last decade technological advances like real-time spectrum analyzers and shot-noise-limited detectors have allowed improvements in the sensitivity of spin noise detection leading to a broad range of applications in both atomic and solid state physics.
The main goal of this thesis is to address a major outstanding question: whether squeezed light can improve the sensitivity of atomic sensors under optimal sensitivity conditions, typically in a high-density regime due to the statistical advantage of using more atoms.
Firstly, we describe the design, construction and characterization of a new versatile experimental apparatus for the study of squeezed-light atomic spectroscopy within a high-density regime (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) and low-noise (¿pT/vHz) magnetic environment. The new experimental system is combined with an existing source of polarization squeezed light based on spontaneous parametric down conversion (SPDC) in a nonlinear crystal, which is the active medium of an optical parametric oscillator.
Secondly, we report the first experimental demonstration of quantum-enhanced spin noise spectroscopy of natural abundance Rb via polarization squeezing of the probe beam. We found that input squeezing of 3.0 dB improves the signal-to-noise ratio by 1.5 dB to 2.6 dB over the combined (power¿number density) ranges (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5 ×¿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3 ×¿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), covering the ranges used in optimized spin noise spectroscopy experiments. We also show that squeezing improves the trade-off between statistical sensitivity and broadening effects.
Next, we introduce a novel theoretical model by defining a standard quantum limit (SQL) for optically-detected noise spectroscopy, identified as a bound to the covariance of the parameters estimated by fitting power noise spectra. We test the model for spin noise spectroscopy of natural abundance Rb and we demonstrate experimental performance of SNS at the SQL for a coherent probe and below the SQL for a polarization squeezed probe.
Finally, we report an optical magnetometer based on amplitude modulated optical rotation (AMOR), using a 85Rb vapor cell, that achieves room temperature sensitivity of 70 fT/vHz at 7.6 µT and we demonstrate its photon shot-noise-limited (SNL) behaviour from 5 µT to 75 µT. While no quantum resources of light were used in this second experiment, the combination of best sensitivity, in the class of room-temperature scalar
Hoy en día existe un considerable progreso en la magnetometría óptica y espectroscopía de ruido de espin, que utilizan conjuntos atómicos magnéticamente sensibles y lectura óptica, acercándose a los límites establecidos por la mecánica cuántica. En los últimos años los magnetómetros ópticos se han convertido en los instrumentos más sensibles para medir los campos magnéticos de baja frecuencia, logrando sensibilidad de sub-femtotesla y superando dispositivos como los superconductores de interferencia cuántica (SQUID), y han encontrado aplicaciones en biomedicina, geofísica, ciencia espacial, así como en varias pruebas de física fundamental. Otra técnica emergente es la espectroscopía de ruido de espin (SNS), que permite determinar las propiedades físicas de un sistema de espin sin perturbarlo por medio de su espectro de potencia de ruido. En la última década, los avances tecnológicos como analizadores de espectro en tiempo real y detectores limitados por el ruido de disparo de fotón han permitido mejoras en la sensibilidad de detección de ruido de spin que conduce a una amplia gama de aplicaciones tanto en la física del estado sólido como en la física atómica. El objetivo principal de esta tesis es responder a una cuestión pendiente e importante: si la "luz comprimida" puede mejorar la sensibilidad de los sensores atómicos en condiciones óptimas para la sensibilidad, típicamente en un régimen de alta densidad debido a la ventaja estadística de utilizar más átomos. En primer lugar, se describe el diseño, construcción y caracterización de un nuevo aparato experimental versátil para el estudio de la espectroscopia atómica con luz comprimida dentro de un régimen de alta densidad (n=¿10¿^12 ¿cm¿^(-3)) y bajo nivel de ruido magnético (¿pT/vHz). El nuevo sistema experimental se combina con una fuente existente de luz comprimida en polarización, basado en el proceso de conversión paramétrica espontánea descendente (SPDC) en un cristal no lineal, que es el medio activo de un oscilador paramétrico óptico. En segundo lugar, se presenta la primera demostración experimental de espectroscopía de espin de Rubidio, en abundancia natural, mejorada a través de la compresión en polarización de la luz de prueba. Se encontró que la entrada de 3.0 dB de luz comprimida mejora la relación señal-ruido de 1.5 dB a 2.6 dB en el intervalo combinado (potencia óptica)¿(densidad atómica) de (0.5 mW to 4.0 mW) ¿ (1.5×¿10¿^12 ¿cm¿^(-3) to 1.3×¿10¿^13 ¿cm¿^(-3)), que cubre rangos utilizados en los experimentos optimizados de espectroscopía de ruido de espin. También mostramos que la luz comprimida mejora el equilibrio entre la sensibilidad estadística y efectos de ampliación de la resonancia. A continuación, se introduce un nuevo modelo teórico con la definición de un límite cuántico estándar (SQL) para la espectroscopía de ruido detectado ópticamente, identificado como un límite a la covarianza de los parámetros estimados mediante el ajuste de los espectros de potencia de ruido. Probamos el modelo para la espectroscopia de ruido de espin en abundancia natural de rubidio y demostramos el rendimiento experimental de la espectroscopia de ruido al límite cuántico estándar para una haz coherente y por debajo del SQL para una haz de luz comprimida en polarización. Por último, se presenta un magnetómetro óptico basado en rotación óptica modulada en amplitud (AMOR), utilizando una celda de vapor de 85Rb, que logra sensibilidad a la temperatura ambiente de 70 fT/vHz a 7.6 µT y demostramos su limite de ruido de disparo de fotón (SNL) en el intervalo de 5 µT a 75 µT. Si bien no se utilizaron recursos cuánticos de la luz en este segundo experimento, la combinación de la mejor sensibilidad, en la clase de los magnetómetros escalares de temperatura ambiente, y con operación al limite de ruido de disparo hace que el sistema sea un candidato prometedor para la aplicación de luz comprimida a un magnetómetro óptico optimizado con mejor sensibilidad en la clase