(English) The study of quantum light-matter interaction with atomic ensembles is an active research area. This kind of system allows fundamental studies on measurement in the context of continuous variables, in collective entanglement and in quantum simulations. This field of research is also interesting in the context of quantum metrology, quantum networking and quantum computation. In this thesis two complementary aspects of light matter interaction with atomic ensembles have been studied with trapped ions and cold neutral atoms. The trapped ion experiment is intended to evaluate the possibility to use large ion clouds for realizing a quantum memory with long coherence times. Whereas the cold atom experiment focused on the use of quantum non demolition measurements to evaluate non- Gaussian states. This experiment is similar to quantum networking experiment currently planned. Laser cooled trapped ions can reach a crystalline phase due to the strong Coulomb repulsion between ions. In this phase the relative positions between the ions is xed avoiding collisions and the ions to explore magnetic eld inhomogeneities which can be a source of coherence loss. At low ion number, long coherence times have been demonstrated. With large ion numbers, the trapping mechanism can induce heating of the ion cloud thus making more di cult to obtain the crystallized regime. During this thesis, large Coulomb crystals containing more than 1x10 6 ions have been obtained and signature of electromagnetically induced transparency in such system have been obtained. This study also revealed limitations of this kind of systems which have to be further studied to allow strong light matter interaction probability with cold large ion ensembles in a regime allowing for long coherence times. Neutral atoms systems allow strong light matter coupling probabilities but usually reduced coherence times. Quantum memories, entanglement between atoms and light, high precision magnetometry have been demonstrated with neutral atomic vapors. The system used during this thesis is designed to allow strong light matter coupling probability with detuned polarized light pulses, allowing to precisely measure the spin state of the atomic system without destruction and low noise. The measurement noise of the system is lower than the atomic noise opening the way for collective entanglement (via measurement induced spin squeezing) and ultra sensitive magnetic eld measurements. This system is closely related with systems designed for quantum networking and quantum memories. Non Gaussian atomic states are a resource for quantum computation and quantum communication, in the context of atomic physics experiments, their detection can be di cult. The work presented in this thesis focuses on the detection of non Gaussian states in atomic ensembles using cumulants, and in particular their noise properties. (Español) El estudio de la interacción luz materia con conjuntos atómicos es un área de investigación activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medición en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuánticas. Este campo de la investigación también es interesante en el contexto de la metrología cuántica, comunicación cuántica y la computación cuántica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interacción luz materia con conjuntos atómicos han sido estudiados con iones atrapados y átomos neutros fríos. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realización de una memoria cuántica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de átomos fríos se centró en el uso de medidas de no demolición cuántica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicación cuántica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por láser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsión de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnético que puede ser una fuente de pérdida de coherencia. Con bajo número de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo así más difícil de obtener el régimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene más de 1 x 10 6 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagnéticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio también reveló las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado más a fondo para obtenir una fuerte probabilidad de interacción con conjuntos de iones fríos en un régimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de átomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuánticas, el entrelazamiento entre átomos y la luz, magnetometría de alta precisión han sido demostrados en experimentos relaciondaos con vapores atómicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha diseñado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precisión el estado de espín del sistema atómico sin destrucción y con bajo ruido. La medición del ruido del sistema es más baja que el ruido atómico, lo que podría inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atómicos (a través del squeezing de espines inducido por la medición) y mediciones de campo magnético ultra sensibles. Este sistema está estrechamente relacionado con sistemas diseñados para la creación de comunicación cuántica y memorias cuánticas. Los estados atómicos no gaussianos constituyen un recurso para la computación cuántica y la comunicación cuántica, en el contexto de los experimentos de física atómica, su detección puede ser difícil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la detección de los estados no gaussianos en conjuntos atómicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medición de los cumulants.
(English) The study of quantum light-matter interaction with atomic ensembles is an active research area. This kind of system allows fundamental studies on measurement in the context of continuous variables, in collective entanglement and in quantum simulations. This field of research is also interesting in the context of quantum metrology, quantum networking and quantum computation. In this thesis two complementary aspects of light matter interaction with atomic ensembles have been studied with trapped ions and cold neutral atoms. The trapped ion experiment is intended to evaluate the possibility to use large ion clouds for realizing a quantum memory with long coherence times. Whereas the cold atom experiment focused on the use of quantum non demolition measurements to evaluate non- Gaussian states. This experiment is similar to quantum networking experiment currently planned. Laser cooled trapped ions can reach a crystalline phase due to the strong Coulomb repulsion between ions. In this phase the relative positions between the ions is xed avoiding collisions and the ions to explore magnetic eld inhomogeneities which can be a source of coherence loss. At low ion number, long coherence times have been demonstrated. With large ion numbers, the trapping mechanism can induce heating of the ion cloud thus making more di cult to obtain the crystallized regime. During this thesis, large Coulomb crystals containing more than 1x10 6 ions have been obtained and signature of electromagnetically induced transparency in such system have been obtained. This study also revealed limitations of this kind of systems which have to be further studied to allow strong light matter interaction probability with cold large ion ensembles in a regime allowing for long coherence times. Neutral atoms systems allow strong light matter coupling probabilities but usually reduced coherence times. Quantum memories, entanglement between atoms and light, high precision magnetometry have been demonstrated with neutral atomic vapors. The system used during this thesis is designed to allow strong light matter coupling probability with detuned polarized light pulses, allowing to precisely measure the spin state of the atomic system without destruction and low noise. The measurement noise of the system is lower than the atomic noise opening the way for collective entanglement (via measurement induced spin squeezing) and ultra sensitive magnetic eld measurements. This system is closely related with systems designed for quantum networking and quantum memories. Non Gaussian atomic states are a resource for quantum computation and quantum communication, in the context of atomic physics experiments, their detection can be di cult. The work presented in this thesis focuses on the detection of non Gaussian states in atomic ensembles using cumulants, and in particular their noise properties. (Español) El estudio de la interacción luz materia con conjuntos atómicos es un área de investigación activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medición en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuánticas. Este campo de la investigación también es interesante en el contexto de la metrología cuántica, comunicación cuántica y la computación cuántica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interacción luz materia con conjuntos atómicos han sido estudiados con iones atrapados y átomos neutros fríos. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realización de una memoria cuántica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de átomos fríos se centró en el uso de medidas de no demolición cuántica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicación cuántica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por láser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsión de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnético que puede ser una fuente de pérdida de coherencia. Con bajo número de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo así más difícil de obtener el régimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene más de 1 x 10 6 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagnéticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio también reveló las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado más a fondo para obtenir una fuerte probabilidad de interacción con conjuntos de iones fríos en un régimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de átomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuánticas, el entrelazamiento entre átomos y la luz, magnetometría de alta precisión han sido demostrados en experimentos relaciondaos con vapores atómicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha diseñado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precisión el estado de espín del sistema atómico sin destrucción y con bajo ruido. La medición del ruido del sistema es más baja que el ruido atómico, lo que podría inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atómicos (a través del squeezing de espines inducido por la medición) y mediciones de campo magnético ultra sensibles. Este sistema está estrechamente relacionado con sistemas diseñados para la creación de comunicación cuántica y memorias cuánticas. Los estados atómicos no gaussianos constituyen un recurso para la computación cuántica y la comunicación cuántica, en el contexto de los experimentos de física atómica, su detección puede ser difícil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la detección de los estados no gaussianos en conjuntos atómicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medición de los cumulants.
This thesis describes quantum measurements of an ensemble of cold rubidium-87 atoms. We extend the covariance matrix formalism to spin-1 systems, including effects of decoherence, losses due to probing and atom number fluctuations. We show that the model can reproduce perimental results of both the mean and variance of a Faraday rotation measurement of the free induction decay signal of a coherent spin state precessing in an inhomogeneous magnetic field. We derive linearization procedures for Faraday measurements with high rotation angles and develop a fast differential photodetector that allows high dynamic range detection. We also study how to experimentally calibrate the reference quantum noise level under inhomogeneous light-atom interaction. We show that two non-commuting collective spin observables describing the atomic ensemble can be simultaneously known with sensitivity beyond classical limits, producing a planar quantum squeezed state. We theoretically study this state's metrological advantages and we find optimal conditions for its realization. Finally, using quantum non-demolition (QND) measurements of an atomic coherent state precessing under an orthogonal magnetic field, we track the radial and the angular component of the collective spin of the atomic ensemble below Poisson statistics and below the projection noise level by 7.0 dB and 2.9 dB respectively. The final topic of this thesis is the investigation of measurement backaction as a genuine quantum signature through the violation of Leggett-Garg inequalities. The use of QND measurements, which does not perturb the measured quantity, provide a way to certify such violations as due to true quantum effects rather than other possible classical disturvbance caused by the measurement. The use of Gaussian states described by covariance matrix calculations indicates these techniques can be applied to truly macroscopic systems. Esta tesis describe medidas cuánticas en una nube de átomos fríos de rubidio-87. Extendemos el formalismo de matriz de covariancia a sistemas de espin-1, incluyendo decoherencias, pérdidas debidas a la luz de prueba y fluctuaciones del número de átomos. Mostramos que el modelo puede reproducir los resultados experimentales de medias y variancias de medidas de rotación de Faraday de una señal de decaimiento libre de inducción de un estado coherente de spin rotando en un campo magnético. Derivamos procedimientos de linearizacion para medidas de Faraday con ángulos de rotación grandes y desarrollamos un fotodetector rápido que permite la detección en rango dinámico alto. En esta tesis estudiamos también el problema de interacción luz-átomos en el caso de acoplamiento inhomogéneo y calibramos experimentalmente el nivel de ruido cuántico. Demostramos que dos observables colectivas de espín que describen la nube atómica que no conmutan se pueden conocer simultáneamente con precisión más allá de los límites clásicos, produciendo un estado cuántico planar comprimido. Estudiamos teóricamente sus ventajas metrológicas y encontramos condiciones óptimas para su realización. Así mismo, utilizando medidas cuánticas no desctructivas (QND) en un estado atómico coherente rotando en un campo magnético ortogonal, monitorizamos las componentes radial y angular del spin colectivo de la nube de átomos 7.0 dB por debajo de la estadística Poissoniana y 2.9 dB por debajo del nivél del ruido de proyección. El último resultado de esta tesis es la investigación del contra-efecto de la medida como un auténtico efecto cuántico a través de la violación de las desigualdades de Leggett-Garg. El uso de las medidas QND, que no perturban la observable medida, permite considerar las violaciones como en verdadero efecto cuántico en lugar de otros posibles efectos clásicos causados por la medida. Por otro lado el uso de estados Gaussianos usado en los cálculos de matriz de covariancia puede ser aplicado también a sistemas verdaderamente macroscópicos.
(English) The interface between light and cold atomic ensembles is a fundamental platform to unravel the quantum world and develop quantum technological applications. Its success relies on the simple idea that the efficiency of such an interface can be collectively enhanced by the use of many atoms. While the interaction between its building blocks, a single photon, and a single atom, is theoretically and experimentally understood, instead, the interaction between light and a macroscopic ensemble of motionless atoms is generically a complex system featuring multiple scattering and many-body dipole interactions. To avoid the complexity, typical theories of atom-light interactions treat the atomic medium as smooth. However, it is well-known that microscopic optical effects driven by atomic granularity can lead to important effects, especially in dense media. These phenomena and their consequences on the performance of applications are not completely understood. To take them into account exactly, Chapter 1 introduces a ``spin model'' for light-matter interaction. The rest of the thesis is then divided into three chapters, which push forward our understanding of the interaction of light with dense atomic media. In Chapter 2 it is argued that because of the overwhelming collective macroscopic response an ensemble can exhibit (well captured by the standard theory), many microscopically-driven effects that have been predicted, have also been challenging to observe so far. An essential step is thus to suppress the macroscopic light propagation, so as to allow the microscopic correlations to build up and to be analyzed in a background-free fashion. To solve this issue, a technique to suppress the macroscopic optical dynamics in free space, which allows to precisely investigate many-body aspects of light-matter interaction, will be presented and demonstrated. In particular, we unravel and precisely characterize a microscopic, density-dependent dipolar dephasing effect that generally limits the lifetime of the optical spin-wave order in ensemble-based atom-light interfaces. In Chapter 3 we will go beyond the short-time and dilute limits considered previously, to develop a comprehensive theory of dephasing dynamics for arbitrary times and atomic densities. In particular, our non-perturbative approach is based on the strong-disorder renormalization group (RG), in order to quantitatively predict the dominant role that near-field optical interactions between nearby neighbors have in driving the dephasing process. This theory also enables one to capture the key features of the many-atom dephasing dynamics in terms of an effective single-atom model. These results should shed light on the limits imposed by near-field interactions on quantum optical phenomena in dense atomic media, and illustrate the promise of strong disorder RG as a method of dealing with complex microscopic optical phenomena in such systems. Chapter 4 tries to answer the question of why ordinary materials exhibit a refractive index of order unity and if the answer can come from an electro-dynamical argument. While textbook theories predict nonphysical values when extrapolated to densities of solids, here, we will evaluate the exact linear optical response of a three-dimensional lattice of two-level atoms, first from the band structure and then from a direct numerical simulation. Interestingly, when multiple scattering of light is exactly taken into account, as a result of perfect interference, it is found that an ideal unity-filled array of atoms can have a refractive index that grows with the density and is furthermore real. This implies that a saturation mechanism for the index should come from the quantum chemistry interactions that arise in real materials. Whether saturation could be circumvented, could lead to novel optical materials with transformative technological potential. (Español) La interfaz entre la luz y conjuntos de átomos fríos es una plataforma fundamental para explorar el mundo cuántico y para el desarrollo de las tecnologías cuánticas. Sus logros están basados en la sencilla idea de que la eficiencia de esta interfaz puede mejorar al utilizar muchos átomos. A pesar de que la interfaz entre sus constituyentes, un único átomo y un único fotón, está experimentalmente y teóricamente entendida, en cambio, la interacción entre la luz y un conjunto macroscópico de átomos inmóviles es un sistema complejo que incluye dispersiones múltiples e interacciones dipolo-dipolo entre muchos cuerpos. Para reducir esta complejidad, las teorías tradicionales tratan el medio atómico como continuo. Sin embargo, es conocido que los efectos ópticos microscópicos, causados por la granularidad de los átomos, pueden dar lugar a consecuencias importantes, sobre todo en el caso de medios densos. Estos fenómenos y sus consecuencias en la eficiencia de las aplicaciones siguen sin entenderse por completo. Para tenerlos en cuenta exactamente, el Capítulo 1 introduce un "modelo de espines" para la interaccíón luz-materia. El resto de la tesis se divide luego en tres capítulos, que impulsan nuestra comprensión de la interacción de la luz con medios atómicos densos. En el Capítulo 2 se argumenta que debido a la enorme respuesta macroscópica colectiva de un conjunto (captada correctamente por la teoría estándar), muchos de los efectos microscópicos que se han predicho también han sido difíciles de observar hasta ahora. El reto, por lo tanto, es suprimir la propagación de la luz macroscópica, para permitir que las correlaciones microscópicas se acumulen y se analicen sin ese fondo. Para resolver este problema, se presentará y demostrará una técnica para suprimir la dinámica óptica macroscópica en el espacio libre, que permite investigar con precisión los aspectos de muchos cuerpos de la interacción luz-materia. En particular, caracterizamos con precisión un efecto de desfase dipolar microscópico, que depende de la densidad, y limita la vida útil del orden de onda de espín óptico en las interfaces átomo-luz basadas en conjuntos. En el Capítulo 3 iremos más allá de los límites diluidos y de tiempo corto considerados anteriormente, para desarrollar una teoría completa de la dinámica de desfase para tiempos y densidades atómicas arbitrarias. En particular, nuestro método no-perturbativo se basa en el grupo de renormalización (RG) del desorden fuerte, para predecir cuantitativamente el papel dominante que tienen las interacciones ópticas de campo cercano entre átomos vecinos en el proceso de desfase. Estos resultados deberían aclarar los límites impuestos por las interacciones de campo cercano en los fenómenos ópticos cuánticos en medios atómicos densos e ilustrar la promesa del RG como método para tratar los fenómenos ópticos microscópicos complejos en estos sistemas. El Capítulo 4 trata de responder a la pregunta de por qué los materiales ordinarios exhiben un índice de refracción de orden uno y si la respuesta puede proceder de un argumento electrodinámico. Si bien las teorías de los libros de texto predicen valores no físicos cuando se extrapolan a densidades de sólidos, aquí evaluaremos la respuesta óptica lineal exacta de una red tridimensional de átomos de dos niveles, primero a partir de la estructura de bandas y luego a partir de una simulación numérica directa. Curiosamente, cuando se tiene en cuenta de manera exacta la dispersión múltiple de la luz, como resultado de la interferencia perfecta, se encuentra que una matriz de átomos ideal tiene un índice de refracción que crece con la densidad y, además, es real. Esto implica que un mecanismo de saturación para el índice debería provenir de las interacciones de la química cuántica que surgen en los materiales reales. La posibilidad de evitar la saturación podría dar lugar a nuevos materiales ópticos con un potencial tecnológico transformador.
Atomic and optical physics are two fields closely connected by a shared range of energy scales, and the interactions between them. Atoms represent the most fundamental components of matter, and interactions with electromagnetic fields are responsible for many properties used to characterize a material, like the emission and absorption of radiation by these systems. Over the last decades, this has allowed us to use light as a tool to access and manipulate the internal states of atomic systems. Such a quantum control has transformed atoms into one of the preferred platforms to explore fundamental science, including applications in quantum information, quantum metrology or, more recently, the realization of synthetic materials where light can induce interactions that would be difficult to find intrinsically in real materials. In the first part of this Thesis, we show how single atoms coupled to a cavity field can offer unique opportunities as quantum optomechanical devices because of their small mass and strong interaction with light. In particular, we focus on the "single-photon strong coupling" regime, where motional displacements on the order of the zero-point uncertainty are sufficient to shift the cavity resonance frequency by more than its linewidth. By coupling atomic motion to the narrow cavity-dressed atomic resonance, we theoretically observe that the scattering properties of single photons can become highly entangled with the atomic wavefunction, even if the cavity linewidth is large. This leads to a per-photon motional heating that is significantly larger than the single-photon recoil energy, as well as mechanically-induced oscillations that could be observed in the correlations of state-of-the-art cavity systems. In the second part of the Thesis, we investigate how synthetic materials built using light can be harnessed as quantum simulators, defeating the limitations that classical computers face in the exploration of quantum phenomena. We particularly focus on ultracold atomic mixtures trapped in optical lattices, where atom-mediated long-range interactions can provide an enabling tool in the simulation of relevant problems in condensed matter or quantum chemistry. First, we show that fermionic atoms in an ultracold gas can act as a mediator, giving rise to effective long-range RKKY interactions among other neutral atoms trapped in an optical lattice. We further propose several experimental knobs to tune these interactions, which are characterized by the density and dimensionality of the gas and are accessible in current experimental platforms. We also show that these knobs open up the exploration of new frustrated regimes where symmetry-protected topological phases and chiral spin liquids emerge. Second, we introduce a set of experimental schemes where long-range interactions are mediated by an additional bosonic species trapped in a commensurate optical lattice, both in 2D and 3D. In particular, we show that the interplay with cavity QED can lead to effective Coulomb-like repulsion, which opens the door to the analog simulation of quantum chemistry problems using ultracold fermionic atoms as simulated electrons. Apart from explaining the emergent mechanism, we provide operational conditions for the simulator, benchmark it with simple atoms and molecules, and analyze how the continuous limit is approached for increasing optical lattice sizes. Finally, we compare our results with those of the continuum limit, where conventional quantum chemistry methods can be evaluated and tested. In summary, our results show connections between different areas of theoretical and experimental physics where light-matter interaction can play a dominant role, and suggest how this can be harnessed to further advance our understanding of stronglycorrelated quantum matter. La física óptica y atómica son dos campos de investigación conectados por un rango de energías común. El átomo representa el componente más fundamental de la materia, y su interacción con campos electromagnéticos es responsable de muchas de las propiedades utilizadas para caracterizar materiales, como por ejemplo la emisión y absorción de radiación por estos sistemas. Este control a nivel cuántico ha erigido los átomos como una de las plataformas preferidas para explorar ciencia fundamental, incluyendo aplicaciones en información cuántica, metrología o, más recientemente, la fabricación de materiales sintéticos en que la luz es capaz de inducir interacciones que serían difíciles de encontrar intrínsecamente en materiales convencionales. En la primera parte de esta Tesis mostramos cómo un átomo individual acoplado a una cavidad puede manifestar propiedades optomecánicas a nivel cuántico únicas, debido a su baja masa y fuerte interacción con la luz. En particular, nos centramos en el límite de acoplamiento fuerte al nivel de un único fotón, donde un desplazamiento en el orden de la incertidumbre del punto cero es suficiente para cambiar la frecuencia de resonancia de la cavidad más allá de su ancho de línea. Al acoplar este movimiento del átomo a su estrecha resonancia, observamos teóricamente que la dispersión de fotones individuales queda fuertemente entrelazada con la función de onda del átomo, incluso cuando la resonancia de la cavidad es ancha. Esto conlleva que cada fotón caliente el átomo significativamente más de lo que se esperaría de su energía de retroceso, y podría manifestarse en dispositivos actuales en forma de oscilaciones dictadas por el movimiento del átomo. En la segunda parte de la Tesis investigamos cómo algunos materiales sintéticos fabricados con luz pueden utilizarse como simuladores cuánticos, desafiando así las limitaciones que los ordenadores clásicos enfrentan actualmente a la hora de explorar fenómenos cuánticos. En particular, nos centramos en el estudio de mezclas de átomos ultrafríos atrapados en redes ópticas, donde interacciones de largo alcance mediadas por estos átomos pueden jugar un papel fundamental en la simulación de problemas relevantes en materia condensada o química cuántica. Primero, mostramos que átomos fermiónicos en un gas ultrafrío pueden actuar como mediadores, dando lugar a interacciones efectivas de largo alcance tipo RKKY entre átomos neutros atrapados. Asimismo, proponemos diferentes estrategias para modular estas interacciones a través de la densidad y dimensión del gas, lo que es experimentalmente accesible en plataformas actuales. Mostramos también que esta versatilidad permite la exploración de sistemas frustrados, donde aparecen fases topológicas protegidas por simetría y líquidos quirales de espín. En segundo lugar, introducimos un conjunto de esquemas experimentales donde las interacciones de largo alcance son mediadas por una especie bosónica adicional atrapada en una red óptica, tanto en 2D como en 3D. En particular, mostramos que la interacción adicional con una cavidad puede dar lugar a una repulsión efectiva del tipo Coulomb, lo que abre la puerta a simular de manera analógica problemas de química cuántica, tomando átomos fermiónicos ultrafríos como electrones simulados. Además de explicar estos mecanismos, derivamos las condiciones operacionales para el simulador, lo probamos para átomos y moléculas sencillas, y analizamos cómo se aproxima el límite en el continuo a medida que la red óptica aumenta. Finalmente, comparamos nuestros resultados con los esperados en el continuo, donde los métodos utilizados en química cuántica pueden ser evaluados y puestos a prueba. En resumen, nuestros resultados dibujan conexiones entre diferentes áreas de la física teórica y experimental donde la interacción entre la luz y la materia puede jugar un papel fundamental, y sugerimos cómo se puede aprovechar esto para avanzar aún más en nuestra comprensión de la materia cuántica fuertemente correlacionada.
The tools of atomic physics enable researchers to explore rich quantum mechanical phenomena by way of light-matter interactions. In some applications, light is used to manipulate or modify the properties of a material medium, for instance, laser-cooling and optical trapping of neutral atoms and ions; electromagnetically-induced-transparency (EIT); and Bose- Einstein-Condensation (BEC). Likewise, there are applications where matter is used to manipulate the properties of light, as for example, non-linear optical processes; atomic quantum memories; and quantum-information-processing. This thesis explores two routes towards manipulating light using matter and vice versa in our lab. The work presented in this thesis falls under two categories, one is the experimental side where we have designed and built a laser system to cool a thermal gas of 39K atoms to sub-Doppler temperatures, using the ‘Gray Molasses’ technique. This work is motivated by the long term goal of performing quantum simulation experiments with degenerate quantum gas of K. The second category is on the theoretical (numerical) side, where we introduce a novel quantum memory protocol for coherent storage and processing of broadband light pulses, based on a fundamental physical process in atomic physics, called the ‘Autler-Townes’ effect. Ultracold quantum gases are one of the most versatile systems in the field of cold atom physics; these atomic systems can be experimentally controlled and manipulated with high degree of precision and are thus, widely used to model the behavior of other complex quantum mechanical systems. Laser cooling is the first and indeed a crucial stage towards creating an ultracold gas of atoms. In this thesis, we describe an optical setup for producing a laser-cooled and trapped gas of bosonic 39K atoms, using D1 and D2 atomic transition-lines. The optical setup is built to generate appropriate laser frequencies for implementing various stages of the experiment: red- detuned two and three-dimensional magneto-optical traps (MOT) on the D2-line; a blue-detuned gray molasses phase on the D1-line; as well as optical pumping, imaging and push beams on the D2-line. We also highlight the underlying physics behind the blue-detuned gray molasses cooling and the advantages it offers in cooling species like K and Li. We also discuss in detail, the techniques used for frequency locking our lasers, namely, saturated absorption spectroscopy (SAS) and beatnote locking. The second part of the thesis describes a new atomic quantum-memory scheme for storing broadband pulses of light, which we call the ‘Autler- Townes Splitting (ATS)’ protocol. We show the light storage and retrieval operation in three different configurations, via numerical simulation of Maxwell-Bloch equations. We also discuss the strategies for getting high storage and retrieval efficiency in the ATS memory in terms of only two phenomenological parameters, both of which are experimentally accessible. We have shown that a near-unity efficiency is achievable for a wideband signal, under moderate values of atomic density and laser powers; this significantly relaxes the technical requirements of our protocol when compared to other broadband storage schemes.
El estudio de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos es un area de investigacion activa. Este tipo de sistema permite fundamental estudios sobre la medicion en el contexto de las variables continuas, en entrelazamiento colectiva y en las simulaciones cuanticas. Este campo de la investigacion tambien es interesante en el contexto de la metrologia cuantica, comunicacion cuantica y la computacion cuantica. En esta tesis dos aspectos complementarios de la interaccion luz materia con conjuntos atomicos han sido estudiados con iones atrapados y atomos neutros frios. El experimento de iones atrapados pretende evaluar la posibilidad de utilizar grandes nubes de iones para la realizacion de una memoria cuantica con largo tiempo de coherencia. En vez de que el experimento de atomos frios se centro en el uso de medidas de no demolicion cuantica para evaluar estados no gaussianos. Este experimento es parecido a los experimentos de comunicacion cuantica que se desarrollan actualmente. Los iones atrapados enfriados por laser pueden llegar a una fase cristalina debido a la fuerte repulsion de Coulomb entre los iones. En esta fase, las relativas posiciones entre los iones se fijan de manera a evitar las colisiones y los iones que exploran inhomogeneidades del campo magnetico que puede ser una fuente de perdida de coherencia. Con bajo numero de iones, largos tiempos de coherencia han sido demostrados. Con iones numerosos, el mecanismo de captura puede inducir un calentamiento de la nube de iones, haciendo asi mas dificil de obtener el regimen cristalizado. Durante esta tesis, los cristales de Coulomb grandes que contiene mas de 106 iones se han obtenidos y la prueba de la transparencia inducida electromagneticamente en tal sistema ha sido obtenida. Este estudio tambien revelo las limitaciones de este tipo de sistemas que tienen que ser estudiado mas a fondo para obtener una fuerte probabilidad de interaccion con conjuntos de iones frios en un regimen permitiendo largos tiempos de coherencia. Los sistemas de atomos neutros permiten fuertes probabilidades de acoplamiento luz materia, pero generalmente reduce los tiempos de coherencia. Memorias cuanticas, el entrelazamiento entre atomos y la luz, magnetometria de alta precision han sido demostrados en experimentos relacionados con vapores atomicos neutros. El sistema utilizado en esta tesis se ha disenado para permitir que la probabilidad de acoplamiento luz materia sea importante, con pulsos de luz polarizada, lo que permite medir con precision el estado de espin del sistema atomico sin destruccion y con bajo ruido. La medicion del ruido del sistema es mas baja que el ruido atomico, lo que podria inducir el entrelazamiento colectivo de los espines atomicos (a traves del squeezing de espines inducido por la medicion) y mediciones de campo magnetico ultra sensibles. Este sistema esta estrechamente relacionado con sistemas disenados para la creacion de comunicacion cuantica y memorias cuanticas. Los estados atomicos no gaussianos constituyen un recurso para la computacion cuantica y la comunicacion cuantica, en el contexto de los experimentos de fisica atomica, su deteccion puede ser dificil. El trabajo presentado en esta tesis se centra en la deteccion de los estados no gaussianos en conjuntos atomicos utilizando cumulants, y en particular el ruido relacionado con la medicion de los cumulants.
(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