Les états sombres quantiques conduisent à un avantage en matière de réduction du bruit

Alors que les horloges atomiques sont déjà les appareils de mesure du temps les plus précis de l’univers, les physiciens travaillent dur pour améliorer encore leur précision. Une solution consiste à exploiter les états de spin comprimé dans les atomes d’horloge.

Les états pressés par spin sont des états intriqués dans lesquels les particules du système conspirent pour annuler leur bruit quantique intrinsèque. Ces états offrent donc de grandes opportunités pour la métrologie quantique puisqu’ils permettent des mesures plus précises. Pourtant, les états de spin comprimé dans les transitions optiques souhaitées avec peu de bruit extérieur ont été difficiles à préparer et à maintenir.

Une façon particulière de générer un état de compression de spin, ou compression, consiste à placer les atomes d’horloge dans une cavité optique, un ensemble de miroirs où la lumière peut rebondir plusieurs fois. Dans la cavité, les atomes peuvent synchroniser leurs émissions de photons et émettre un éclat de lumière bien plus brillant que celui d’un seul atome, un phénomène appelé superradiance. Selon la manière dont la superradiance est utilisée, elle peut conduire à un intrication ou, au contraire, elle peut perturber l’état quantique souhaité.

Dans une étude antérieure, réalisée dans le cadre d’une collaboration entre Ana Maria Rey et James Thompson, boursiers du JILA et du NIST, les chercheurs ont découvert que les atomes à plusieurs niveaux (avec plus de deux états d’énergie internes) offrent des opportunités uniques d’exploiter l’émission superradiante en induisant plutôt les atomes à annuler les émissions de chacun et rester dans l’obscurité.

Maintenant, rapporté dans deux nouveaux articles publiés dans Lettres d’examen physique et Examen physique A, Rey et son équipe ont découvert une méthode permettant non seulement de créer des états sombres dans une cavité, mais, plus important encore, de faire tourner ces états. Leurs découvertes pourraient ouvrir de remarquables opportunités pour générer des horloges intriquées, ce qui pourrait repousser les frontières de la métrologie quantique de manière fascinante.

Rouler dans un état sombre sur des montagnes russes superradiantes

Depuis plusieurs années, Rey et son équipe étudient la possibilité d’exploiter la superradiance en formant des états sombres à l’intérieur d’une cavité. Parce que les états sombres sont des configurations uniques dans lesquelles les chemins habituels d’émission de lumière interfèrent de manière destructrice, ces états n’émettent pas de lumière. Rey et son équipe ont montré que des états sombres pouvaient être réalisés lorsque des atomes préparés dans certains états initiaux étaient placés à l’intérieur d’une cavité.

Ainsi préparés, les états quantiques pourraient rester insensibles aux effets de superradiance ou d’émission de lumière dans la cavité. Les atomes pourraient encore émettre de la lumière à l’extérieur de la cavité, mais à un rythme beaucoup plus lent que la superradiance.

L’ancien chercheur postdoctoral du JILA, Asier Piñeiro Orioli, chercheur principal de l’étude précédente avec Thompson et également contributeur aux deux études récemment publiées, a trouvé un moyen simple de comprendre l’émergence d’un état sombre dans une cavité en termes de ce qu’ils ont appelé un potentiel superradiant.

Rey dit : « Nous pouvons imaginer le potentiel superradiant comme des montagnes russes où les atomes montent. Lorsqu’ils descendent la colline, ils émettent de la lumière collectivement, mais ils peuvent rester coincés lorsqu’ils atteignent une vallée. Dans les vallées, les atomes forment l’obscurité. états et cesser d’émettre de la lumière dans la cavité.

Dans leurs travaux antérieurs avec Thompson, les chercheurs du JILA ont découvert que les états sombres devaient être au moins un peu enchevêtrés.

« La question que nous voulions aborder dans les deux nouveaux travaux est de savoir si ils peuvent être à la fois sombres et fortement intriqués », explique le premier auteur, Bhuvanesh Sundar, ancien chercheur postdoctoral de la JILA. « Ce qui est passionnant, c’est que nous avons non seulement découvert que la réponse est oui, mais que ces types d’États comprimés sont plutôt simples à préparer. »

Créer des états sombres hautement intriqués

Dans les nouvelles études, les chercheurs ont découvert deux manières possibles de préparer les atomes dans des états de spin fortement intriqués. Une solution consistait à faire briller les atomes avec un laser pour les dynamiser au-dessus de leur état fondamental, puis à les placer dans des points spéciaux sur le potentiel superradiant, également appelés points de selle. Aux points de selle, les chercheurs ont laissé les atomes se détendre dans la cavité en éteignant le laser et, fait intéressant, les atomes remodèlent leur répartition du bruit et sont fortement comprimés.

« Les points de selle sont des vallées où le potentiel a simultanément une courbure nulle et une pente nulle », précise Rey. « Ce sont des points particuliers car les atomes sont sombres mais sur le point de devenir instables et ont donc tendance à remodeler leur répartition du bruit pour devenir comprimés. »

L’autre méthode proposée impliquait le transfert d’états superradiants vers des états sombres. Ici, l’équipe a également trouvé d’autres points spéciaux où les atomes sont proches de points « lumineux » spéciaux – non pas dans une vallée de montagnes russes, mais à des points avec une courbure nulle – où l’interaction entre la superradiance et un laser externe génère une compression de spin. .

« Ce qui est intéressant, c’est que la compression de spin générée au niveau de ces points lumineux peut ensuite être transférée dans un état sombre où, après un alignement approprié, nous pouvons éteindre le laser et préserver la compression », ajoute Sundar.

Ce transfert fonctionne en entraînant d’abord les atomes dans une vallée du potentiel superradiant, puis en utilisant des lasers avec des polarisations appropriées (ou directions d’oscillations de la lumière) pour aligner de manière cohérente les directions comprimées, rendant les états comprimés insensibles à la superradiance.

Le transfert des états comprimés vers les états sombres a non seulement préservé les caractéristiques de bruit réduit des états comprimés, mais a également assuré leur survie en l’absence de commande par un laser externe, un facteur crucial pour les applications pratiques en métrologie quantique.

Même si l’étude publiée dans Lettres d’examen physique utilisé une seule polarisation de la lumière laser pour induire une compression de spin, générant deux modes compressés, le Examen physique A L’article a poussé cette simulation plus loin en utilisant les deux polarisations de la lumière laser, ce qui a abouti à quatre modes de compression de spin (deux modes pour chaque polarisation).

« Dans ces deux articles, nous avons considéré des atomes multiniveaux avec de nombreux niveaux internes », explique Piñeiro Orioli, « et avoir de nombreux niveaux internes est plus difficile à simuler que d’avoir deux niveaux, ce qui est souvent étudié dans la littérature. Nous avons donc développé un ensemble de  » Des outils pour résoudre ces systèmes multiniveaux. Nous avons élaboré une formule pour calculer l’intrication générée à partir de l’état initial. « 

Les résultats de ces études peuvent avoir des implications considérables pour les horloges atomiques. En surmontant les limites de la superradiance via la génération d’états intriqués sombres, les physiciens stockent les états intriqués en utilisant les atomes comme mémoire (permettant de récupérer des informations à partir de ces états) ou injectent l’état intriqué dans une séquence d’horloge ou d’interféromètre pour l’analyse quantique. -mesures améliorées.