Heating and decoherence due to light scattering in atomic media

Abstract

(English) Cold atom platforms have become central to quantum technologies such as information processing, simulation, and metrology. Their versatility and high degree of control make them especially powerful. A key breakthrough in the field was the ability to trap individual atoms using light. Far-off-resonant optical dipole traps—like optical tweezers and lattices—enable precise positioning of atoms in diverse geometries, from simple 2D arrays to complex 3D structures. Another major advantage of cold atoms is their ability to mediate interactions between photons, which do not naturally interact in free space. Cold atomic ensembles act as a nonlinear medium, enabling strong interactions even at the two-photon level. Using collective atom-photon coupling and Rydberg-state excitations, they allow for photon-photon gates and the creation of non-classical states of light. These two features—strong optical nonlinearities and precise atomic positioning—make cold atoms a leading platform for quantum networks, quantum simulations, and studies of light-matter interaction. A phenomenon common to both platforms is photon scattering, which can either be of an intended or unintended nature. Up until recently, simple theories of scattering were sufficient for the community. However, the advance of atomic platforms now requires more nuanced and sophisticated theories to understand scattering and their consequences on applications. This constitutes the main theme of the thesis. In the application of atom trapping, in many practical situations atoms may experience state-dependent potentials. The potential mismatch can lead to excess heating and reduced elastic scattering of light, as compared to well-known limits like an atom in “magic-wavelength” traps or a trapped ion. In the first part of the thesis, we develop a model to analyze these effects, which can have important consequences in quantum optics or in atom imaging. In the second part of the thesis, we investigate how Rydberg spin waves decohere in the presence of light scattering, within the context of Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT). Within Rydberg EIT, an initial photon is stored as a coherent, extended superposition across atoms. This initial photon can strongly modify the propagation of subsequent photons, leading to large nonlinearities, but the scattering of subsequent photons can reveal information about where the first photon was stored, leading to decoherence of the initial superposition state. This in turn can lead to decreased utility or ability to retrieve the first photon. Here, we elucidate the nature of decoherence, and in particular for the first time we take fully into account the three-dimensional nature of the ensemble and its multiple scattering of light. We find regimes in which multiple scattering might offer additional protection from decoherence, as compared to previous simplified theories. Overall, this thesis makes new advances in understanding the nature of microscopic atom-light interactions and scattering, and connects this fundamental physics to key consequences in real-life applications.

(Català) Les plataformes d’àtoms freds s’han situat al centre de les tecnologies quàntiques com ara el processament d’informació, la simulació i la metrologia. La seva versatilitat i el seu alt grau de control les fan especialment potents. Un dels avenços clau en aquest camp ha estat la capacitat de capturar àtoms individuals mitjançant llum. Les trampes òptiques dipolars fora de ressonància —com les pinces òptiques i les xarxes òptiques (lattices)— permeten posicionar àtoms amb gran precisió en una varietat de geometries, des d’arranjaments bidimensionals senzills fins a estructures tridimensionals complexes. Un altre gran avantatge dels àtoms freds és la seva capacitat de mediar interaccions entre fotons, que de manera natural no interaccionen en l’espai lliure. Els conjunts d’àtoms freds actuen com un medi no lineal, possibilitant interaccions fortes fins i tot a nivell d’un sol fotó. Mitjançant l’acoblament col·lectiu entre àtoms i fotons i les excitacions als estats de Rydberg, es poden implementar portes fotòniques i generar estats no clàssics de la llum. Aquestes dues característiques —no linealitats òptiques fortes i posicionament atòmic precís— fan dels àtoms freds una plataforma capdavantera per a xarxes quàntiques, simulacions quàntiques i l’estudi de la interacció llum-matèria. Un fenomen comú tant en les tècniques de captura d’àtoms com en l’òptica no lineal quàntica és la dispersió de fotons, que pot ser desitjada o no. Fins fa poc, les teories simples de dispersió eren suficients per a la comunitat. No obstant això, el desenvolupament de plataformes atòmiques més sofisticades exigeix teories més matisades i elaborades per entendre la dispersió i les seves conseqüències en les aplicacions. Aquest és el tema principal de la tesi. En el context de la captura d’àtoms, en moltes situacions pràctiques els àtoms poden experimentar potencials dependents de l’estat intern. Aquesta discrepància dels potencials pot generar escalfament excessiu i una reducció de la dispersió elàstica de la llum, en comparació amb límits ben coneguts com els que es troben en trampes de “longitud d’ona màgica” o en ions atrapats. En la primera part de la tesi, desenvolupem un model per analitzar aquests efectes, que tenen implicacions importants en òptica quàntica o en la imatge d’àtoms. En la segona part de la tesi, investiguem la decoherència en les ones d’espín de Rydberg en presència de la dispersió de la llum, en el context de la Transparència Induïda Electromagnèticament (EIT) amb Rydberg. En aquest esquema, un fotó inicial s’emmagatzema com una superposició coherent i estesa entre àtoms. Aquest fotó pot modificar fortament la propagació dels fotons posteriors, produint grans no linealitats, però la dispersió d’aquests fotons pot revelar informació sobre la localització del primer fotó, provocant la descoherència de l’estat de superposició inicial. Aquest és un mechanisme que pot reduir la possibilitat de recuperar el primer fotó. En aquest treball, es detalla la naturalesa d’aquesta descoherència, i per primera vegada es té en compte de manera completa la naturalesa tridimensional del conjunt atòmic i la dispersió múltiple de la llum. Identifiquem règims en què la dispersió múltiple pot oferir una protecció addicional contra la descoherència, en contrast amb les teories simplificades anteriors. En conjunt, aquesta tesi aporta nous avenços en la comprensió de les interaccions microscòpiques entre àtoms i llum, i connecta aquesta física fonamental amb conseqüències rellevants en aplicacions del món real.

(Español) Las plataformas de átomos fríos se han vuelto centrales en tecnologías cuánticas como el procesamiento de información, la simulación y la metrología. Su versatilidad y alto grado de control las hacen especialmente poderosas. Un avance clave en el campo fue la capacidad de atrapar átomos individuales utilizando luz. Las trampas ópticas dipolares fuera de resonancia —como las pinzas ópticas y los arreglos en red (lattices)— permiten posicionar átomos con precisión en geometrías diversas, desde simples arreglos 2D hasta estructuras complejas en 3D. Otra gran ventaja de los átomos fríos es su capacidad para mediar interacciones entre fotones, los cuales no interactúan de forma natural en el espacio libre. Los conjuntos atómicos fríos actúan como un medio no lineal, permitiendo interacciones fuertes incluso a nivel de un solo fotón. Mediante el acoplamiento colectivo átomo-fotón y las excitaciones a estados de Rydberg, se hacen posibles compuertas entre fotones y la creación de estados no clásicos de luz. Estas dos características —no linealidades ópticas fuertes y posicionamiento atómico preciso— hacen de los átomos fríos una plataforma líder para redes cuánticas, simulaciones cuánticas y estudios de la interacción luz-materia. Un fenómeno común tanto en las herramientas de atrapamiento atómico como en la óptica no lineal cuántica es la dispersión de fotones, que puede ser intencionada o no. Hasta hace poco, teorías simples de dispersión eran suficientes para la comunidad. Sin embargo, el avance de las plataformas atómicas ahora requiere teorías más matizadas y sofisticadas para entender la dispersión y sus consecuencias en diversas aplicaciones. Este constituye el tema principal de la tesis. En la aplicación del atrapamiento atómico, en muchas situaciones prácticas los átomos pueden experimentar potenciales dependientes del estado interno. Esta diferencia de los potenciales puede conducir a un calentamiento excesivo y a una reducción de la dispersión elástica de la luz, en comparación con límites bien conocidos como los que se dan en trampas de “longitud de onda mágica” o en iones atrapados. En la primera parte de la tesis, desarrollamos un modelo para analizar estos efectos, los cuales pueden tener consecuencias importantes en óptica cuántica o en la imagen de átomos. En la segunda parte de la tesis, investigamos la decoheréncia de las ondas de espín de Rydberg en presencia de a dispersión de la luz, dentro del contexto de Transparencia Inducida por Electromagnetismo (EIT) con Rydberg. En este esquema, un fotón inicial se almacena como una superposición coherente y extendida entre átomos. Este fotón inicial puede modificar fuertemente la propagación de fotones posteriores, dando lugar a grandes no linealidades, pero la dispersión de esos fotones posteriores puede revelar información sobre dónde fue almacenado el primer fotón, causando la descoherencia de la superposición inicial. Esto a su vez puede reducir la utilidad o la capacidad de recuperar ese primer fotón. En este trabajo, elucidamos la naturaleza de esta descoherencia, y en particular, por primera vez consideramos plenamente la naturaleza tridimensional del conjunto atómico y la dispersión múltiple de luz. Encontramos regímenes en los que la dispersión múltiple podría ofrecer protección adicional frente a la descoherencia, en comparación con teorías simplificadas previas. En conjunto, esta tesis ofrece nuevos avances en la comprensión de las interacciones microscópicas entre átomos y luz, así como de la dispersión, y conecta esta física fundamental con consecuencias clave en aplicaciones del mundo real.