Engineering of three-level systems using adiabatic passage

Abstract

Aquesta Tesi té com a objectiu contribuir al camp de l'Enginyeria en Òptica Quàntica amb aplicacions basades principalment en la tècnica coneguda com Passatge Adiabàtic Raman Estimulat (STIRAP). Aquesta tècnica consisteix en una transferència eficient de població entre dos estats atòmics acoblats a un estat intermedi mitjançant el seguiment adiabàtic d'un dels estats propis del Hamiltonià, l'estat fosc. En primer lloc, es proposa implementar microscòpia en el rang del nanòmetre mitjançant la tècnica de localització via passatge adiabàtic per sota de la longitud d'ona. En segon lloc, s'ha investigat un nou tipus de memòria quàntica basada en una pinta de freqüències atòmiques utilitzant la tècnica del passatge adiabàtic a trossos, la qual ofereix potenticals avantatges respecte les tècniques actuals. També s'ha explorat la possibilitat d'implementar el passatge adiabàtic més enllà del regim òptic, participant en la primera temptativa experimental de demostrar STIRAP en el règim ultraviolat extrem utilitzant raigs X. Tanmateix, s'ha desenvolupat un marc teòric general per estudiar la viabilitat del passatge adiabàtic espacial, l'anàleg espacial de STIRAP, per a un condensat de Bose-Einstein en un triple pou de potencial. Finalment, s'han estudiat les condicions per aconseguir llum làser sense inversió de població en un determinat esquema atòmic de quatre nivells utilitzant el mètode dels salts quàntics, obtenint una comprensió més profunda dels mecanismes físics involucrats.

Esta Tesis tiene como objetivo contribuir al campo de la Ingeniería en Óptica Cuántica con aplicaciones basadas principalmente en la técnica conocida como Pasaje Adiabático Raman Estimulado (STIRAP). Esta técnica consiste en una transferencia eficiente de población entre dos estados atómicos acoplados a un estado intermedio mediante el seguimiento adiabático de uno de los estados propios del Hamiltoniano, el estado oscuro. En primer lugar, se propone implementar microscopía en el rango del nanómetro mediante la técnica de localización mediante pasaje adiabático por debajo de la longitud de onda. En segundo lugar, se ha investigado un nuevo tipo de memoria cuántica basada en un peine de frecuencias atómicas mediante la técnica de pasaje adiabático a trozos, la cual ofrece potenciales ventajas respecto de las técnicas actuales. También se ha explorado la posibilidad de implementar el pasaje adiabático más allá del rango óptico, mediante la participación en la primera tentativa experimental de demostrar STIRAP en el régimen ultravioleta extremo utilizando rayos X. Además, se ha desarrollado un marco teórico general para estudiar la viabilidad del pasaje adiabático espacial, el análogo espacial de STIRAP, para un condensado de Bose-Einstein en un triple pozo de potencial. Por último, se han estudiado las condiciones para conseguir luz láser sin inversión de población en un determinado esquema atómico de cuatro niveles utilizando el método de los saltos cuánticos, obteniendo una comprensión más profunda de los mecanismos físicos involucrados.

This Thesis aims to contribute to the field of Quantum Optics Engineering with applications based mainly on the Stimulated Raman Adiabatic Passage (STIRAP) technique. The STIRAP technique consists of an efficient population transfer between two atomic states coupled to an intermediate state by adiabatically following one of the eigenstates of the Hamiltonian, the dark state. First, we present a proposal to implement nanoscale resolution microscopy using the sub-wavelength localisation adiabatic passage technique. Second, a new type of atomic-frequency-comb quantum memory via the piecewise adiabatic passage technique has been investigated, which offers potential advantages over the state-of-the-art ones. We have also explored the possibility to implement adiabatic passage beyond the optical range, through the participation in the first experimental attempt to demonstrate STIRAP in the XUV/x-ray regime. In addition, we have provided a general theoretical framework to study the feasibility to perform spatial adiabatic passage, the spatial analogue of STIRAP, for a Bose-Einstein condensate in a triple-well potential. Last, we have studied the conditions for achieving lasing without inversion in a particular four-level atomic scheme using the quantum-jump approach, obtaining a deeper understanding of the involved physical mechanisms.