Article

Nondestructive Rydberg Atom Counting with Mesoscopic Fields in a Cavity

Collège de France, Lutetia Parisorum, Île-de-France, France
Physical Review Letters (Impact Factor: 7.51). 04/2005; 94(11):113601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.94.113601
Source: PubMed

ABSTRACT

We present an efficient, state-selective, nondemolition atom-counting procedure based on the dispersive interaction of a sample of circular Rydberg atoms with a mesoscopic field contained in a high-quality superconducting cavity. The state-dependent atomic index of refraction, proportional to the atom number, shifts the classical field phase. A homodyne procedure translates the information from the phase to the intensity. The final field intensity is readout by a mesoscopic atomic sample. This method opens promising routes for quantum information processing and nonclassical state generation with Rydberg atoms.

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Available from: A. Auffèves, May 12, 2014
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    • "Real quantum measurements almost always cause a much stronger back action than required by the laws of quantum mechanics. Quantum non-demolition (QND) measurements have been devised [1] [2] [3] [4] [5] [6] such that the additional back action is kept entirely within observables other than the one being measured. However, this back action to other observables often also imposes constraints. "
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    ABSTRACT: Real quantum measurements almost always cause a much stronger back action than required by the laws of quantum mechanics. In particular, free-space optical detection methods for single atoms and ions such as the shelving technique, though being among the most sensitive detection methods in quantum physics, inevitably require spontaneous scattering, even in the dispersive regime. This causes heating, a limitation for atom-based quantum information processing where it obviates straightforward reuse of the qubit. No such energy exchange is required by quantum mechanics. Here we experimentally demonstrate optical detection of an atomic qubit with significantly less than one spontaneous scattering event. We measure transmission and reflection of an optical cavity containing the atom. In addition to the qubit detection itself, we quantitatively measure how much spontaneous scattering has occurred. This allows us to relate the information gained to the amount of spontaneous emission, and we obtain a detection error below 10% while scattering less than 0.2 photons on average. Furthermore, we perform a quantum Zeno type experiment to quantify the measurement back action and find that every incident photon leads to an almost complete state collapse. Together, these results constitute a full experimental characterization of a quantum measurement in the "energy exchange-free" regime below a single spontaneous emission event. Besides its fundamental interest, this means significant simplification for proposed neutral-atom quantum computation schemes and may enable sensitive detection of molecules and atoms lacking closed transitions.
    Full-text · Article · Jun 2011
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    ABSTRACT: In this thesis we investigate the dynamics of cold atoms in optical cavities. We study how the scattering properties of laser driven atoms are modified by the presence of an optical resonator. This investigation can be divided into two parts. First, we study the scaling of the scattering properties with the number of atoms, and we show in particular how Bragg scattering by an atomic lattice is modified by the presence of the resonator. In this case, the atoms are trapped at the antinodes of the cavity mode function by the mechanical potential induced by the resonator. In a second part, we show how this modification of the scattering properties can be used for efficiently cooling single atoms to the ground state of a harmonic trap. In particular, we find that the motion is critically affected by quantum correlations induced by the mechanical coupling with the resonator, which may lead to selective suppression of certain transitions for the appropriate parameters regimes, thereby increasing the cooling efficiency.
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    ABSTRACT: Die Arbeit beschäftigt sich mit der Dynamik von Gasen aus hoch angeregten Atomen. Es wird sowohl die Erzeugung von Rydberggasen, als auch ihre Dynamik nach der Laser-Anregung betrachtet. Zur Beschreibung des Anregungsprozesses wird ein quasi-klassischer Zugang verwendet. Er basiert auf der adiabatischen Eliminierung von Kohärenzen aus der vollen Quanten-Beschreibung und führt auf eine klassische Mastergleichung. Diese Näherung ist gerade für typische experimentelle Situationen durchführbar. Die klassische Mastergleichung kann durch ein simples Monte-Carlo-Verfahren für Systeme aus zehntausenden von Teilchen unter voller Berücksichtigung der Rydberg-Rydberg-Wechselwirkung gelöst werden. Mit Hilfe des Monte-Carlo-Verfahrens wird die Anregung von Rydbergatomen in einem ultrakalten Gas untersucht. Die in Experimenten gefundene Anregungsblockade wird durch die Methode gut beschrieben. Bei der Anregung von Rydbergatomen aus einem optischen Gitter wird sogar eine Anregungsverstärkung - eine Antiblockade - vorhergesagt. Die Antiblockade in einem Gitter erlaubt eine Charakterisierung räumlicher Korrelationen der Rydbergatome allein durch die Messung ihrer Dichte. Sie ist robust gegenüber Gitterfehlstellen und sollte mit heutigen experimentellen Techniken nachweisbar sein. Für die Anregung im ungeordneten Gas wird gezeigt, dass sich die räumlichen Korrelationen der Rydbergatome indirekt in den Momenten der Häufigkeitsverteilung angeregter Atome widerspiegeln. Durch die Untersuchung der Fluktuationen in der Zahl angeregter Atome lassen sich die Unterschiede in den Paarkorrelationsfunktionen bei Blockade und Antiblockade im Gas messen. Ein Vergleich mit experimentellen Daten zeigt eine qualitativ gute Übereinstimmung. Für die Dynamik des Rydberggases nach dem Abschalten der Anregungslaser ist der Fall besonders interessant, dass Atome in unterschiedlichen Rydbergzuständen resonant ihre Anregungsenergie austauschen können. In der Arbeit wird argumentiert, dass sich der räumliche Transfer von Anregungsenergie in Rydbergsystemen ohne störende Umgebungseinflüsse gezielt untersuchen lässt. Mit Hilfe der Frenkelschen Exziton-Theorie wird der Energietransfer entlang einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen untersucht. Zusätzlich wird dargelegt, dass die exzitonische Anregung auch mechanische Kräfte auf die Rydbergatome induziert. Diese werden mit Hilfe einer quanten-klassischen Methode analysiert. Der Zusammenhang der auftretenden Kräfte mit den Symmetrien der exzitonischen Eigenfunktionen wird aufgezeigt. In einer eindimensionalen Anordnung von Rydbergatomen wird ein adiabatischer Energietransfer vorhergesagt, der an die Bewegung der Atome gebunden ist. Er läuft vollständig auf einer einzigen adiabatischen Potentialfläche ab. Dieser Transport ist langsam genug, um mit heutigen experimentellen Methoden im Prinzip orts- und zeitaufgelöst abgebildet zu werden.
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