Multimode Quantum Optics with Spin Waves and Photons

University of Warsaw Repository

pl | en
 
 

Show simple item record

dc.contributor.advisor Wasilewski, Wojciech
dc.contributor.author Parniak-Niedojadło, Michał
dc.date.accessioned 2019-04-30T09:03:08Z
dc.date.available 2019-04-30T09:03:08Z
dc.date.issued 2019-04-30
dc.identifier.uri https://depotuw.ceon.pl/handle/item/3312
dc.description.abstract The thesis describes development of a multimode quantum memory based on laser-cooled gas of rubidium atoms. Starting with a construction of a magneto-optical trap we arrive at implementations of complex quantum protocols realized within the domain of spin waves stored in the memory, with the main achievement being the realization of a spin-wave analogue of the Hong-Ou-Mandel effect. In Chapter 2 I introduce the theoretical framework needed to plan experiments and explain their results. The theory serves us in designing new protocols based on the ac-Stark effect and phase matching. A full quantum treatment of the light-atom interaction is also presented, with a particular focus on a quantized collective atomic excitations field. Chapter 3 describes the essential and most innovative parts of the constructed experimental setup. Chapter 4 presents the quantum memory with the highest capcity achieved so far, based on the Raman light-atom interface. The memory stores light in 665 spatial modes. New experimental and data analysis methods are highlighted. Chapter 5 introduces the ac-Stark modulation applied to control the collective spin of an atomic ensemble. The results are immediately used in Chapter 6, where the same effect is employed to control spatial interference of single spin waves. Hong-OuMandel two-particle interference for a pair of spin waves is demonstrated. Chapter 7 presents further development of the new control methods with a focus on a sequential quantum memory. The interference of pulses inside the memory stored at different times is demonstrated for the first time. In Chapter 8 we use our deepened understanding to unveil a new approach to spin waves, where we use them as a pump in a parametric down-conversion process. This allows us to observe and control superradiant emission, for the first time in the case of six-wave mixing. This allows unprecedented control over the superradiant emission pattern in space. The final Chapter 9 summarizes the thesis and proposed future path of development.
dc.description.abstract Niniejsza praca przedstawia rozwój wielomodowej pami ˛eci kwantowej opartej na chłodzonym laserowo gazie atomów rubidu, pocz ˛awszy od konsturkcji samej pułapki magnetooptycznej az do implementacji zło ˙ zonych protokołów kwantowych na prze- ˙ chowywanych w pami ˛eci falach spinowych i zademonstrowania analogu interferencji Hong-Ou-Mandla dla dwóch fal spinowych. W Rozdziale 2 prezentuj ˛e warsztat teoretyczny niezb ˛edny do planowania i wyja´snania przeprowadzonych eksperymentów. Opracowana teoria słuzy do projek- ˙ towania nowych protokołów w oparciu o dynamiczny efekt Starka (ac-Stark) i dopasowanie fazwoe. Przedstawiam tez w pełni kwantowych opis oddziaływania, ze szczegól- ˙ nym uwzgl ˛ednieniem opisu pojedycznych kolektywnych wzbudze ´n - fal spinowych. Rozdział 3 opisuje powstały układ do´swiadczalny, skupiaj ˛ac si ˛e na najbardziej innowacyjncyh elementach. Rozdział 4 prezentuje opis najpojemniejszej na chwil ˛e obecn ˛a pami ˛eci kwantowej dla ´swiatła, działaj ˛acej w oparciu o interfejs ramanowski. Zaprezentowana pami ˛e´c przechowuje ´swiatło w 665 modach przestrzennych. Szczegółowo opisane s ˛a nowe metody do´swiadczalne i analizy danych. Rozdział 5 opisuje sposób uzyskania kontroli nad kolektywnym spinem zespołu atomów dzi ˛eki dynamicznemu efektowi Starka. Wyniki s ˛a zastosowane w Rozdziale 6, gdzie kontrolujemy przesztrzenn ˛a faz ˛e pojedynczych fal spinowych. Udaje si ˛e zademonstrowa´c dwucz ˛astowkow ˛a interferencj ˛e fal spinowych prowadzaj ˛ac ˛a do ich “sklejenia”, jak w efekcie Hong-Ou-Mandla dla fotonów. Rozdział 7 prezentuje rozwój tej nowej metody i jej zastosowanie do realizacji pami ˛eci sekwencyjnej. Po raz pierwszy tez demonstrujemy interferencj ˛e impulsów ˙ ´swiatła zapisanych do pami ˛eci w róznych momentach. ˙ W Rozdziale 8 opisuj ˛e inne podej´scie do nowych zastosowa ´n fal spinowych, gdzie uzywamy odpowiednio przygotowanej spójno´sci atomowej do kontroli nadpromienis- ˙ to´sci. Obserwujemy znaczny efekt nadpromienistego wzmocnenia emisji, po raz pierwszy w procesie mieszania sze´sciu fal, który dzi ˛eki po´srednicz ˛acej fali spinowej zapewnia nam niespotykan ˛a do tej pory kontrol ˛e. Wreszcie rozdział 9 podsumowuje prac ˛e i proponuje dalsze kierunki rozwoju.
dc.language.iso en
dc.rights 10daysAccess
dc.subject chłodzenie laserowe
dc.subject magnetooptical trap
dc.subject cold atoms
dc.subject photons
dc.subject ac-Stark effect
dc.subject fictitious magnetic field
dc.subject magnetic field control
dc.subject free-induction decay
dc.subject superradiance
dc.subject atomic ensemble
dc.subject quantum repeaters
dc.subject quantum information processing
dc.subject optical processor
dc.subject Hong-Ou-Mandel effect
dc.subject two-photon interference
dc.subject light-atom interface
dc.subject Raman scattering
dc.subject optical memory
dc.subject quantum memory
dc.subject spin waves
dc.subject quantum optics
dc.subject laser cooling
dc.subject pułpka magnetooptyczyna
dc.subject zimne atomy
dc.subject dynamiczny efekt Starka
dc.subject fikcyjne pola magnetyczne
dc.subject zanik swobodnej precesji
dc.subject nadpromienistość
dc.subject zespoły atomów
dc.subject wzmacniacz kwantowy
dc.subject przetwarzanie informacji kwantowej
dc.subject procesor optyczny
dc.subject efekt Hong-Ou-Mandla
dc.subject interferencja dwufotonowa
dc.subject interfejs światło-atomy
dc.subject rozpraszanie Ramana
dc.subject pamięc optyczna
dc.subject pamięć kwantowa
dc.subject fale spinowe
dc.subject optyka kwantowa
dc.title Multimode Quantum Optics with Spin Waves and Photons
dc.title.alternative Wielomodowa optyka kwantowa fal spinowych i fotonów
dc.description.eperson Anna Książczak
dc.contributor.department Wydział Fizyki
dc.date.defence 2019-05-13

Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search Repository


Advanced Search

Browse

My Account

Statistics