Photon counting with a single neutral atom: quantum efficiency, dark counts, and background rejection

Abstract

(English) This thesis studies the use of a single trapped neutral 87Rb atom as a photon counter. Detection of quantum jumps (QJs), i.e., abrupt changes between atomic states observable by a change in atomic fluorescence, is used to infer the arrival of single photons. This is referred to as the quantum jump photodetection (QJPD) technique. The thesis first situates QJPD in the context of photodetection. Compared to traditional detectors, QJPD technique has lower speed and quantum efficiency (QE), but has exceptional performance in other figures of merit: QJPD is intrinsically narrowband, has strong out-of-band rejection, and very low dark counts (DCs). These features make the QJPD interesting for applications that detect weak optical signals in the presence of a strong broadband background. Experimental methods to study QJPD are described. A 87Rb atom is loaded from a magneto-optical trap (MOT) into a far-off resonance trap (FORT) at the center of four orthogonal, co-focal, high numerical aperture lenses. These lenses create the FORT, couple probe light onto the atom and collect the atomic fluorescence, which is used to identify the atomic state. A typical QJPD sequence is presented, which consists of trapping and cooling an atom in the FORT, optically pumping it into the dark state, illuminating with probe light, illuminating with readout light and collecting fluorescence photons, and checking that the atom has not left the FORT during the sequence. Statistical methods for measurement of QE and DC contributions are introduced. These compare the observed fluorescence count distribution against measured hyperfine-state fluorescence distributions. A QE of (2.4±0.1)×e−3 is demonstrated, a record for single photon absorption by a single atom in free space. Dark count contributions are measured. To produce low DC, the QJPD technique is implemented in two time windows: an exposure time for the single photon absorption followed by a short fluorescence time to read out the atomic state. This implies distinct acquisition and readout DC contributions, similarly to CCD and CMOS detectors. A dark jump rate (analogous to CCD/CMOS dark current) is measured of (5 ± 10) × e−3 jumps/s, consistent with zero and limited by measurement statistics. The measured readout contribution is (4.0 ± 0.4) × e−3 jumps per ms of fluorescence readout. For a 1 Hz readout rate, with 1 ms readout pulses, a net dark count rate of (15 ± 10) × e−3 counts/acquisition is demonstrated, which is already competitive with any non-cryogenic detector. The background rejection capabilities of the system are tested by measuring quantum jump rates when the atom is illuminated with direct sunlight, and with light scattered by the atmosphere (skylight). A rate equation model is developed to describe QJ probabilities in the presence of both intense broadband background and weak resonant probe light. This model is used to interpret experiments in which a weak signal beam competes with strong broadband background and validated using direct sunlight. Measurements where the atom is illuminated with skylight show no observable background-induced QJs. Finally, measurements of sky brightness and its fluctuations are presented, showing large fluctuations even on mostly clear days, a factor that further increases the need for background rejection. A number of contemporary applications of extreme photodetection, including free-space quantum communication in daylight, classical optical communications in space, and fundamental physics experiments, are discussed as possible applications of the QJPD technique. A realistic scenario where the demonstrated QJPD capabilities surpass the current performance of commercial single photodetectors is presented. Finally, potential improvements are discussed. It is shown that existing atomic and optical technologies could be applied to reach different wavelength ranges, narrower bandwidths, higher quantum efficiency, and lower dark counts.

(Català) Aquesta tesi estudia l’ús d’un sol àtom neutre de Rubidio 87 atrapat com a comptador de fotons. La detecció de salts quàntics (QJs), canvis abruptes entre estats atòmics observables per canvis de fluorescència, es fa servir per inferir l'arribada de fotons únics. A aquesta tècnica l‘anomenem fotodetecció per salts quàntics (QJPD). Aquesta tesi primer situa la QJPD en el context de la fotodetecció. Comparada amb detectors tradicionals, la tècnica QJPD té una menor velocitat i menor eficiència quàntica (QE), però resulta excepcional per ser intrínsecament de banda estreta i per tenir un fort rebuig de fotons fora de banda i molt baixos comptes foscos (DCs). Aquestes característiques fan que sigui interessant per a aplicacions que detecten senyals òptics febles en presència de llum de fons de banda ampla. Els mètodes experimentals consisteixen en carregar un àtom de Rb87 des d'un parany magneto-òptic (MOT) a un parany fora de ressonància (FORT) localitzada al centre de quatre lents ortogonals, co-focals i d'alta obertura numèrica. Aquestes lents creen la FORT, acoblen la llum de prova a l'àtom i recullen la fluorescència atòmica, que és usada per identificar l'estat atòmic. La seqüència de QJPD consisteix a atrapar i refredar un àtom a la FORT, bombar-lo a l'estat fosc, il·luminar-lo amb llum de prova, il·luminar-lo amb llum de lectura i recollir la fluorescència, i comprovar que l'àtom no ha abandonat la FORT. S'introdueixen mètodes estadístics per mesurar la QE i les DC que comparen la distribució de comptes de fluorescència observada amb les distribucions de fluorescència de l'estat hiperfí. Es demostra una QE de (2.4±0.1)×e−3, un rècord per a l'absorció d'un sol fotó per un sol àtom en espai lliure. S’hi mesuren les contribucions dels DC. Per produir DC baixos, la QJPD s'implementa en dos temps: un temps d'exposició per absorció del fotó únic seguit d'un curt temps de fluorescència per llegir l'estat atòmic. Això implica contribucions a les DC diferenciades de adquisició i lectura, com passa als detectors CCD i CMOS. La taxa de salts foscos (anàloga al corrent fosc dels CCD/CMOS) és de (5 ± 10) × e−3 salts/s, compatible amb zero i limitada per les estadístiques de la mesura. La contribució de lectura és de (4.0 ± 0.4) × e−3 salts per ms de fluorescència. Per a una freqüència de lectura de 1 Hz, amb polsos de lectura de 1 ms, es demostra una taxa neta de DC de (15 ± 10) × e−3 comptes\ adquisición, que ja és competitiva amb qualsevol detector no criogènic. Les capacitats de rebuig de llum de Fons (LF) es comproven mesurant la taxa de QJs quan l'àtom és il·luminat amb llum solar directa i amb llum dispersada per l'atmosfera (llum celestial). Es desenvolupa un model d'equacions cinètiques que descriure les probabilitats de QJs en presència de LF de banda ampla, alhora que amb llum de prova feble en ressonància. Aquest model interpreta els experiments en què un feix de senyal feble competeix contra forta LF de banda ampla i es valida utilitzant llum solar directa. Experimentalment, no s'observen QJs induïts per la llum celestial. S’hi mesuren també la brillantor de la llum celestial i les seves fluctuacions, que resulten grans fins i tot en dies majoritàriament clars, factor que augmenta encara més la necessitat de rebutjar la LF. S’hi discuteixen diverses aplicacions extremes de fotodetecció contemporànies com a possibles aplicacions per a la QJPD, incloent comunicacions quàntiques en espai lliure durant el dia, comunicacions clàssiques a l'espai i experiments de física fonamental. Es presenta un escenari en què l'exercic de la QJPD sobrepassen el de detectors comercials. Finalment, s’hi discuteixen millores potencials. Es demostra que tecnologies atòmiques i òptiques existents poden ser aplicades per assolir diferents rangs de longitud d'ona, amples de banda més estrets, eficiència quàntica més alta i comptes foscos més baixos.

(Español) Esta tesis estudia el uso de un solo átomo neutro de 87Rb atrapado como contador de fotones. La detección de saltos cuánticos (QJs), cambios abruptos entre estados atómicos observables por cambios de fluorescencia, se usa para inferir la llegada de fotones únicos. A esta técnica la nombramos fotodetección por saltos cuánticos (QJPD). Esta tesis primero sitúa la QJPD en el contexto de la fotodetección. Comparada con detectores tradicionales, la QJPD tiene una menor velocidad y menor eficiencia cuántica (QE), pero resulta excepcional por ser intrínsecamente de banda estrecha y por tener un fuerte rechazo de fotones fuera de banda y muy bajas cuentas oscuras (DCs). Estas características hacen que sea interesante para aplicaciones que detectan señales ópticas débiles en presencia de luz de fondo de banda ancha. Los métodos experimentales consisten en cargar un átomo de 87Rb desde una trampa magneto-óptica (MOT) a una trampa fuera de resonancia (FORT) localizada en el centro de cuatro lentes ortogonales, co-focales y de alta apertura numérica. Estas lentes crean la FORT, acoplan la luz de prueba al átomo y recogen su fluorescencia, que se usa para identificar el estado atómico. La secuencia de QJPD consiste en atrapar y enfriar un átomo en la FORT, bombearlo al estado oscuro, iluminarlo con luz de prueba, iluminarlo con luz de lectura y recoger la fluorescencia, y comprobar que el átomo no ha abandonado la FORT. Se introducen métodos estadísticos para medir la QE y las DC que comparan la distribución de cuentas de fluorescencia observada con las distribuciones de fluorescencia de los estados hiperfinos. Se demuestra una QE de (2.4±0.1)×e−3, un récord para la absorción de un solo fotón por un solo átomo en espacio libre. Se miden las contribuciones a las DC. Para lograr un nivel muy bajo de DC, la QJPD se implementa en dos tiempos: uno de exposición para la absorción del fotón único seguido de un corto tiempo de fluorescencia para leer el estado atómico. Esto implica contribuciones de DC de adquisición y de lectura diferenciadas, como ocurre en detectores CCD y CMOS. La tasa de saltos oscuros (análoga a la corriente oscura de los CCD/CMOS) es de (5 ± 10) × e−3 saltos/s, compatible con cero y limitada por las estadísticas de la medida. La contribución de lectura es de (4.0 ± 0.4) × e−3 saltos por ms de fluorescencia. Para una frecuencia de lectura de 1 Hz, con pulsos de lectura de 1 ms, se demuestra una tasa neta de DC de (15 ± 10) × e−3 cuentas/adquisición, que ya es competitiva con cualquier detector no criogénico. Las capacidades de rechazo de luz de fondo (LF) se comprueban midiendo la tasa de QJs cuando el átomo se ilumina con luz solar directa y con luz dispersada por la atmósfera (luz celeste). Se desarrolla un modelo de ecuaciones cinéticas que describe las probabilidades de QJs en presencia de fuerte LF de banda ancha junto con luz de prueba débil en resonancia. Este modelo interpreta los experimentos en los que un haz de señal débil compite contra fuerte LF de banda ancha y se valida usando luz solar directa. Experimentalmente, no se observan QJs inducidos por luz celeste. Se mide también el brillo de la luz celeste y sus fluctuaciones, que resultan ser grandes incluso en días mayormente despejados, factor que aumenta aún más la necesidad de rechazo de LF. Se discuten diversas aplicaciones extremas de fotodetección contemporáneas como posibles aplicaciones para la QJPD, incluyendo comunicaciones cuánticas en espacio libre durante el día, comunicaciones clásicas en el espacio y experimentos de física fundamental. Se presenta un escenario realista en el que el desempeño de la QJPD sobrepasa al de detectores comerciales. Finalmente, se discuten potenciales mejoras. Se demuestra que tecnologías atómicas y ópticas existentes pueden ser aplicadas para alcanzar diferentes rangos de longitud de onda, anchos de banda más estrechos, eficiencia cuántica más alta y niveles de cuentas oscuras más bajos.