Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space

(English) The rapid advancement of quantum technologies is currently pushing the boundaries of scientific and technological innovation. Among the various platforms for translating quantum theory into practical applications, photons have emerged as particularly strong contenders. Their inherent advan...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Goncalves Romeu, Daniel
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2024
País:España
Institución:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Repositorio:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:upcommons.upc.edu:2117/455327
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/2117/455327
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-455327
Access Level:acceso abierto
Palabra clave:621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
530. 1 - Principis generals de la física
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
Àrees temàtiques de la UPC::Física
id ES_c7d52f9ec30dbb4e309dc6ad39fcd150
oai_identifier_str oai:upcommons.upc.edu:2117/455327
network_acronym_str ES
network_name_str España
repository_id_str
dc.title.none.fl_str_mv Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
title Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
spellingShingle Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
Goncalves Romeu, Daniel
621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
530. 1 - Principis generals de la física
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
Àrees temàtiques de la UPC::Física
title_short Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
title_full Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
title_fullStr Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
title_full_unstemmed Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
title_sort Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free space
dc.creator.none.fl_str_mv Goncalves Romeu, Daniel
author Goncalves Romeu, Daniel
author_facet Goncalves Romeu, Daniel
author_role author
dc.subject.none.fl_str_mv 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
530. 1 - Principis generals de la física
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
Àrees temàtiques de la UPC::Física
topic 621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions
530. 1 - Principis generals de la física
Àrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicació
Àrees temàtiques de la UPC::Física
description (English) The rapid advancement of quantum technologies is currently pushing the boundaries of scientific and technological innovation. Among the various platforms for translating quantum theory into practical applications, photons have emerged as particularly strong contenders. Their inherent advantages, such as low decoherence and swift propagation, make them ideal carriers of quantum information for communication, computation and sensing purposes. However, the efficient manipulation and control of photonic quantum states presents significant challenges, often requiring the use of interfaces. In this Thesis, we investigate several novel approaches to engineer and control the properties of light using a very traditional system: trapped neutral atoms in free space. In Chapter 2, we introduce a novel method to observe and manipulate strong quantum interference effects between a few photons and a single free-space atom. The approach uses a Maltese-cross configuration, where two perpendicular pump and probe coherent fields drive the atom. Even for a weak atom-light coupling, we demonstrate that adjusting the relative pump-probe strength ratio and phase can simulate an artificially enhanced coupling efficiency for specific observables. In particular, we are able to engineer photon correlations from fully anti-bunched to extremely bunched states, and control the linear transmission properties in specific directions. In Chapter 3, we propose the combination of ordered atomic arrays and Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT) as a promising platform for quantum nonlinear optics. The spatial periodicity of the array enables precise control over photon scattering, reducing the inherent dissipation associated with traditional Rydberg EIT protocols. Using a two dimensional array, we design and characterize a single photon switch, where the storage of a single photon as a Rydberg excitation results in a strong change in the system's optical response. This switch can be used to implement a photon-photon gate with an error scaling with the Rydberg blockade radius as Rb^{-4}, potentially reaching gate efficiencies of up to 99% for realistic experimental parameters. Additionally, we model the optical properties of the array in the strong driving regime, where the system is multiply excited. In Chapter 4, we discuss a recent experiment that observed features of the Driven-dissipative Dicke phase transition in a driven elongated cloud in free space. This is unexpected, as the Dicke model typically involves an ensemble coupling identically to a single, lossy photonic mode, akin to an ensemble coupled to a cavity. Instead, a free-space ensemble interacts with a continuum of modes, encoding propagation effects. Solving a simple model to explain this behavior, based on the one-dimensional Maxwell-Bloch equations, we observe nonanalytic behavior in certain observables. However, a closer analysis reveals a significant spatial inhomogeneity in atomic properties. We thus argue that the free-space system does not undergo a phase transition but rather a “phase separation,” roughly speaking, between saturated and unsaturated regions. Beyond understanding the phase transition, we also elucidate under which conditions some properties of atoms in cavities can be mapped to atoms in free space. Together, the results in this Thesis represent a meaningful contribution towards better understanding phenomena associated to atom-light interactions in free space, and towards translating that knowledge into practical useful implementations.
publishDate 2024
dc.date.none.fl_str_mv 2024
2024-11-15
2026
2026-02-16
dc.type.none.fl_str_mv doctoral thesis
http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
VoR
http://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85
dc.type.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
format doctoralThesis
dc.identifier.none.fl_str_mv https://hdl.handle.net/2117/455327
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-455327
url https://hdl.handle.net/2117/455327
https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-455327
dc.language.none.fl_str_mv Inglés
eng
language_invalid_str_mv Inglés
language eng
dc.rights.none.fl_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.rights.openaire.fl_str_mv info:eu-repo/semantics/openAccess
rights_invalid_str_mv open access
http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
eu_rights_str_mv openAccess
dc.format.none.fl_str_mv application/pdf
dc.publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
publisher.none.fl_str_mv Universitat Politècnica de Catalunya
dc.source.none.fl_str_mv reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
instname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
instname_str Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
reponame_str UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
collection UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPC
repository.name.fl_str_mv
repository.mail.fl_str_mv
_version_ 1869419212972228608
spelling Novel approaches for quantum technologies with atoms and photons in free spaceGoncalves Romeu, Daniel621.3 - Enginyeria elèctrica. Electrotècnia. Telecomunicacions530. 1 - Principis generals de la físicaÀrees temàtiques de la UPC::Enginyeria de la telecomunicacióÀrees temàtiques de la UPC::Física(English) The rapid advancement of quantum technologies is currently pushing the boundaries of scientific and technological innovation. Among the various platforms for translating quantum theory into practical applications, photons have emerged as particularly strong contenders. Their inherent advantages, such as low decoherence and swift propagation, make them ideal carriers of quantum information for communication, computation and sensing purposes. However, the efficient manipulation and control of photonic quantum states presents significant challenges, often requiring the use of interfaces. In this Thesis, we investigate several novel approaches to engineer and control the properties of light using a very traditional system: trapped neutral atoms in free space. In Chapter 2, we introduce a novel method to observe and manipulate strong quantum interference effects between a few photons and a single free-space atom. The approach uses a Maltese-cross configuration, where two perpendicular pump and probe coherent fields drive the atom. Even for a weak atom-light coupling, we demonstrate that adjusting the relative pump-probe strength ratio and phase can simulate an artificially enhanced coupling efficiency for specific observables. In particular, we are able to engineer photon correlations from fully anti-bunched to extremely bunched states, and control the linear transmission properties in specific directions. In Chapter 3, we propose the combination of ordered atomic arrays and Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT) as a promising platform for quantum nonlinear optics. The spatial periodicity of the array enables precise control over photon scattering, reducing the inherent dissipation associated with traditional Rydberg EIT protocols. Using a two dimensional array, we design and characterize a single photon switch, where the storage of a single photon as a Rydberg excitation results in a strong change in the system's optical response. This switch can be used to implement a photon-photon gate with an error scaling with the Rydberg blockade radius as Rb^{-4}, potentially reaching gate efficiencies of up to 99% for realistic experimental parameters. Additionally, we model the optical properties of the array in the strong driving regime, where the system is multiply excited. In Chapter 4, we discuss a recent experiment that observed features of the Driven-dissipative Dicke phase transition in a driven elongated cloud in free space. This is unexpected, as the Dicke model typically involves an ensemble coupling identically to a single, lossy photonic mode, akin to an ensemble coupled to a cavity. Instead, a free-space ensemble interacts with a continuum of modes, encoding propagation effects. Solving a simple model to explain this behavior, based on the one-dimensional Maxwell-Bloch equations, we observe nonanalytic behavior in certain observables. However, a closer analysis reveals a significant spatial inhomogeneity in atomic properties. We thus argue that the free-space system does not undergo a phase transition but rather a “phase separation,” roughly speaking, between saturated and unsaturated regions. Beyond understanding the phase transition, we also elucidate under which conditions some properties of atoms in cavities can be mapped to atoms in free space. Together, the results in this Thesis represent a meaningful contribution towards better understanding phenomena associated to atom-light interactions in free space, and towards translating that knowledge into practical useful implementations.(Català) El ràpid avenç de les tecnologies quàntiques està empenyent la frontera de la innovació científica i tecnològica. Entre els diferents sistemes utilitzats per convertir teoria quàntica en aplicacions útils, els fotons es presenten com a contendents de particular interès. Els seus avantatges inherents, com la baixa decoherència i ràpida propagació, els fan portadors ideals d'informació quàntica per a aplicacions en comunicació, computació i mesura. Tanmateix, la manipulació i control eficients d'estats quàntics fotònics presenten reptes significatius, sovint requerint l'ús d'interfícies. En la present Tesi, investiguem diversos enfocaments innovadors per dissenyar i controlar les propietats de la llum utilitzant àtoms neutres atrapats en el buit. Al Capítol 2, presentem un nou mètode per observar i manipular efectes d'interferència quàntica entre uns pocs fotons i un sol àtom en el buit. El nostre enfocament utilitza una configuració de Creu de Malta, on dos feixos coherents il·luminen l'àtom en direccions perpendiculars. Fins i tot quan l'acoblament àtom-fotó és dèbil, demostrem que un ajust precís de les relacions d'intensitat i fase relativa dels feixos és equivalent a obtenir una eficiència d'acoblament efectiva, la qual pot ser artificialment augmentada per a determinats observables. En particular, és possible dissenyar correlacions entre fotons, des d'estats totalment antiagrupats fins a estats extremadament agrupats, així com controlar les propietats de la transmissió lineal en direccions específiques. Al Capítol 3, proposem la combinació de retícules atòmiques ordenades, protocols de Transparència Electromagnèticament Induïda (EIT) i àtoms de Rydberg com una plataforma prometedora per a l'òptica quàntica no lineal. La periodicitat espacial de la retícula permet un control precís sobre la dispersió de fotons, reduint la dissipació inherent de protocols tradicionals basats en EIT i Rydberg. Utilitzant una retícula bidimensional, dissenyem i caracteritzem un `ìnterruptor'' accionat amb fotons individuals, on l'emmagatzematge d'un sol fotó com a excitació de Rydberg resulta en un fort canvi de la resposta òptica del sistema. Aquest interruptor es pot utilitzar per implementar portes lògiques fotó-fotó amb un error que escala amb el radi de bloqueig de Rydberg com R_b^{-4}, assolint potencialment eficiències de fins a 99% per a paràmetres assequibles experimentalment. Al Capítol 4, discutim un recent experiment on es van observar característiques pròpies de la transició de fase de Dicke en un núvol d'àtoms allargat il·luminat en el buit. Això és inesperat, ja que el model de Dicke típicament involucra un conjunt d'àtoms acoblats de manera idèntica a un sol mode fotònic, similar a un conjunt d'àtoms en una cavitat. En canvi, els àtoms en el buit interactuen amb un continu de modes òptics, donant lloc a efectes de propagació que comprometen la uniformitat del model de Dicke. En aquest capítol, presentem i resolem un model simple per explicar el comportament observat en l'experiment, basat en les equacions de Maxwell-Bloch unidimensionals. Tot i trobar un comportament no analític en certs observables, una anàlisi més detallada revela una inhomogeneïtat espacial significativa en les propietats atòmiques. Per això, concloem que el sistema en l'espai lliure no experimenta una transició de fase tradicional, sinó més aviat una ``separació'' de fase, entre regions saturades i no saturades. En conjunt, els resultats d'aquesta Tesi representen una contribució significativa cap a una millor comprensió dels fenòmens quàntics associats a les interaccions àtom-fotó en el buit, i cap a la conversió d'aquest coneixement en implementacions tecnològiques pràctiques.(Español) El rápido avance de las tecnologías cuánticas está empujando la frontera de la innovación científica y tecnológica. Entre los distintos sistemas utilizados para convertir teoría cuántica en aplicaciones tecnológicas, los fotones se presentan como contendientes de particular interés. Sus ventajas inherentes, como la baja decoherencia y rápida propagación, los hacen portadores ideales de información cuántica para aplicaciones en comunicación, computación y medición. Sin embargo, la manipulación y control eficientes de estados cuánticos fotónicos presentan desafíos significativos, a menudo requiriendo el uso de interfaces. En la presente Tesis, investigamos varios enfoques novedosos para diseñar y controlar las propiedades de la luz utilizando átomos neutros atrapados en el vacío. En el Capítulo 2, presentamos un nuevo método para observar y manipular efectos de interferencia cuántica entre unos pocos fotones y un solo átomo en el vacío. Nuestro enfoque utiliza una configuración de Cruz de Malta, donde dos haces coherentes iluminan el átomo en direcciones perpendiculares. Incluso cuando el acoplamiento átomo-fotón es débil, demostramos que un ajuste preciso de las relaciones de intensidad y fase relativa de los haces es equivalente a una eficiencia de acoplamiento efectiva, la cual puede ser artificialmente aumentada para determinados observables. En particular, es posible diseñar correlaciones entre fotones, desde estados totalmente antiagrupados hasta estados extremadamente agrupados, así como controlar las propiedades de la transmisión lineal en direcciones específicas. En el Capítulo 3, proponemos la combinación de retículos atómicos ordenados, protocolos de Transparencia Electromagnéticamente Inducida (EIT) y átomos de Rydberg como una plataforma prometedora para la óptica cuántica no lineal. La periodicidad espacial del retículo permite un control preciso sobre la dispersión de fotones, reduciendo la disipación inherente de protocolos tradicionales basados en EIT y Rydberg. Usando un retículo bidimensional, diseñamos y caracterizamos un `ìnterruptor'' accionado con fotones individuales, donde el almacenamiento de un solo fotón como excitación de Rydberg resulta en un fuerte cambio de la respuesta óptica del sistema. Este interruptor puede usarse para implementar puertas lógicas fotón-fotón con un error que escala con el radio de bloqueo de Rydberg como Rb^{-4}, alcanzando potencialmente eficiencias de hasta 99% para parámetros asequibles experimentalmente. En el Capítulo 4, discutimos un reciente experimento donde se observaron características propias de la transición de fase de Dicke en una nube de átomos alargada iluminada en el vacío. Esto es inesperado, ya que el modelo de Dicke típicamente involucra un conjunto de átomos acoplados de manera idéntica a un único modo fotónico, similar a un conjunto de átomos en una cavidad. En cambio, los átomos en el vacío interactúan con un continuo de modos ópticos, dando lugar a efectos de propagación que comprometen la uniformidad del modelo de Dicke. En este capítulo, presentamos y resolvemos un modelo simple para explicar el comportamiento observado en el experimento, basado en las ecuaciones de Maxwell-Bloch unidimensionales. A pesar de encontrar un comportamiento no analítico en ciertos observables, un análisis más detallado revela una inhomogeneidad espacial significativa en las propiedades atómicas. Por ello, concluimos que el sistema en el espacio libre no experimenta una transición de fase tradicional, sino más bien una ``separación'' de fase, entre regiones saturadas y no saturadas. En conjunto, los resultados de esta Tesis representan una contribución significativa hacia una mejor comprensión de los fenómenos cuánticos asociados a las interacciones átomo-fotón en el vacío, y hacia la conversión de ese conocimiento en implementaciones tecnológicas prácticas.Universitat Politècnica de Catalunya20242024-11-1520262026-02-16doctoral thesishttp://purl.org/coar/resource_type/c_db06VoRhttp://purl.org/coar/version/c_970fb48d4fbd8a85info:eu-repo/semantics/doctoralThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/2117/455327https://dx.doi.org/10.5821/dissertation-2117-455327reponame:UPCommons. Portal del coneixement obert de la UPCinstname:Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)Inglésengopen accesshttp://purl.org/coar/access_right/c_abf2Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Internationalhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessoai:upcommons.upc.edu:2117/4553272026-05-27T15:37:01Z
score 15,811543

Similares en LA Referencia