(English) This thesis studies the statistics of light produced by a single trapped atom in free space when interfaced with two orthogonal coherent beams. The atom scatters light into the same spatial mode as a weak coherent probe beam, giving rise to controllable photon statistics. Being able to control the photon statistics of a source can be used in applications in where different photon statistics are desired. A single emitter in free space, when left to interact with a single pumping beam can only scatter one photon at any given moment leading to anti-bunched photon statistics. However, Goncalves et al. (2021) studied the possibility of interfacing the atom with a strong pumping beam, and a weak probing beam, leading to a controllable photon statistics, where super- and sub-Poissonian statistics can be achieved by varying either the pump-probe ratio or the relative pump-probe phase. By controlling the pump-probe ratio, it is also possible to control the probe transmission through the atom. The experimental implementation of the "GMC" scheme shows the predicted behaviour where the transmission can be suppressed to 62 %, and tuned by changing the pump-probe ratio. It also shows that the photon statistics can go from super- to sub-Poissonian by changing the relative pump-probe phase, and the photon bunching achieved is also pump-probe ratio dependent. In addition, measurements of the atom temperature are presented in this thesis, where the interference of the pump and probe beams on the atom lead to a direct measurements of the rms displacement of the atom within the trap, which is linked directly to the atom temperature. These measurements demonstrate a new non-destructive method of estimating the atom temperature. (Català) Aquesta tesi estudia l'estadística de la llum produïda per un sol àtom atrapat en l'espai lliure quan s'interconnecta amb dos feixos coherents ortogonals. L'àtom dispersa la llum en el mateix mode espacial que un feix de sondeig coherent i feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada. La capacitat de controlar l'estadística dels fotons d'una font pot ser útil per a aplicacions en les quals es desitgen fotons amb distint tipus d'estadística. Un únic emissor en l'espai lliure, quan es deixa interactuar amb un únic feix de bombament, només pot dispersar un fotó en un moment donat. Això dona lloc a una estadística de fotons anti-agrupats. Tanmateix, Goncalves et al. (2021) van estudiar la possibilitat d'interconnectar l'àtom amb un feix de bombament fort i un feix de sondeig feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada, en la qual es poden aconseguir estadístiques super-poissonianas i sub-poissonianas variant la relació entre el bombament i el sondeig o la fase relativa entre tots dos. En controlar la relació bombo-sondeig, també és possible controlar la transmissió del sondeig a través de l'àtom. La implementació experimental de l'esquema "GMC" mostra el comportament previst, en el qual la transmissió pot suprimir-se fins al 62 % i ajustar-se canviant la relació bombament-sondeig. També mostra que l'estadística dels fotons pot passar de super-poissoniana a sub-poissoniana canviant la fase relativa de bombament-sondejo, i que l'agrupament dels fotons aconseguit també depèn de la relació bombament-sondeig. A més, en aquesta tesi es presenta la mesura de la temperatura de l'àtom, en la qual la interferència dels feixos de bombament i sondeig en l'àtom condueix a mesuraments directes del desplaçament rms de l'àtom dins del parany, que està directament relacionat amb la temperatura de l'àtom. Aquests mesuraments demostren un nou mètode no destructiu per a estimar la temperatura de l'àtom. (Español) Esta tesis estudia la estadística de la luz producida por un solo átomo atrapado en el espacio libre cuando se interconecta con dos haces coherentes ortogonales. El átomo dispersa la luz en el mismo modo espacial que un haz de sondeo coherente y débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada. La capacidad de controlar la estadística de los fotones de una fuente puede ser útil para aplicaciones en las que se desean fotones con distinto tipo de estadística. Un único emisor en el espacio libre, cuando se deja interactuar con un único haz de bombeo, solo puede dispersar un fotón en un momento dado. Esto da lugar a una estadística de fotones anti-agrupados. Sin embargo, Goncalves et al. (2021) estudiaron la posibilidad de interconectar el átomo con un haz de bombeo fuerte y un haz de sondeo débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada, en la que se pueden lograr estadísticas super-poissonianas y sub-poissonianas variando la relación entre el bombeo y el sondeo o la fase relativa entre ambos. Al controlar la relación bombeo-sondeo, también es posible controlar la transmisión del sondeo a través del átomo. La implementación experimental del esquema "GMC" muestra el comportamiento previsto, en el que la transmisión puede suprimirse hasta el 62 % y ajustarse cambiando la relación bombeo-sondeo. También muestra que la estadística de los fotones puede pasar de super-poissoniana a sub-poissoniana cambiando la fase relativa de bombeo-sondeo, y que el agrupamiento de los fotones conseguido también depende de la relación bombeo-sondeo. Además, en esta tesis se presenta la medida de la temperatura del átomo, en la que la interferencia de los haces de bombeo y sondeo en el átomo conduce a mediciones directas del desplazamiento rms del átomo dentro de la trampa, que está directamente relacionado con la temperatura del átomo. Estas mediciones demuestran un nuevo método no destructivo para estimar la temperatura del átomo.
(English) This thesis studies the statistics of light produced by a single trapped atom in free space when interfaced with two orthogonal coherent beams. The atom scatters light into the same spatial mode as a weak coherent probe beam, giving rise to controllable photon statistics. Being able to control the photon statistics of a source can be used in applications in where different photon statistics are desired. A single emitter in free space, when left to interact with a single pumping beam can only scatter one photon at any given moment leading to anti-bunched photon statistics. However, Goncalves et al. (2021) studied the possibility of interfacing the atom with a strong pumping beam, and a weak probing beam, leading to a controllable photon statistics, where super- and sub-Poissonian statistics can be achieved by varying either the pump-probe ratio or the relative pump-probe phase. By controlling the pump-probe ratio, it is also possible to control the probe transmission through the atom. The experimental implementation of the "GMC" scheme shows the predicted behaviour where the transmission can be suppressed to 62 %, and tuned by changing the pump-probe ratio. It also shows that the photon statistics can go from super- to sub-Poissonian by changing the relative pump-probe phase, and the photon bunching achieved is also pump-probe ratio dependent. In addition, measurements of the atom temperature are presented in this thesis, where the interference of the pump and probe beams on the atom lead to a direct measurements of the rms displacement of the atom within the trap, which is linked directly to the atom temperature. These measurements demonstrate a new non-destructive method of estimating the atom temperature. (Català) Aquesta tesi estudia l'estadística de la llum produïda per un sol àtom atrapat en l'espai lliure quan s'interconnecta amb dos feixos coherents ortogonals. L'àtom dispersa la llum en el mateix mode espacial que un feix de sondeig coherent i feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada. La capacitat de controlar l'estadística dels fotons d'una font pot ser útil per a aplicacions en les quals es desitgen fotons amb distint tipus d'estadística. Un únic emissor en l'espai lliure, quan es deixa interactuar amb un únic feix de bombament, només pot dispersar un fotó en un moment donat. Això dona lloc a una estadística de fotons anti-agrupats. Tanmateix, Goncalves et al. (2021) van estudiar la possibilitat d'interconnectar l'àtom amb un feix de bombament fort i un feix de sondeig feble, la qual cosa dona lloc a una estadística de fotons que pot ser controlada, en la qual es poden aconseguir estadístiques super-poissonianas i sub-poissonianas variant la relació entre el bombament i el sondeig o la fase relativa entre tots dos. En controlar la relació bombo-sondeig, també és possible controlar la transmissió del sondeig a través de l'àtom. La implementació experimental de l'esquema "GMC" mostra el comportament previst, en el qual la transmissió pot suprimir-se fins al 62 % i ajustar-se canviant la relació bombament-sondeig. També mostra que l'estadística dels fotons pot passar de super-poissoniana a sub-poissoniana canviant la fase relativa de bombament-sondejo, i que l'agrupament dels fotons aconseguit també depèn de la relació bombament-sondeig. A més, en aquesta tesi es presenta la mesura de la temperatura de l'àtom, en la qual la interferència dels feixos de bombament i sondeig en l'àtom condueix a mesuraments directes del desplaçament rms de l'àtom dins del parany, que està directament relacionat amb la temperatura de l'àtom. Aquests mesuraments demostren un nou mètode no destructiu per a estimar la temperatura de l'àtom. (Español) Esta tesis estudia la estadística de la luz producida por un solo átomo atrapado en el espacio libre cuando se interconecta con dos haces coherentes ortogonales. El átomo dispersa la luz en el mismo modo espacial que un haz de sondeo coherente y débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada. La capacidad de controlar la estadística de los fotones de una fuente puede ser útil para aplicaciones en las que se desean fotones con distinto tipo de estadística. Un único emisor en el espacio libre, cuando se deja interactuar con un único haz de bombeo, solo puede dispersar un fotón en un momento dado. Esto da lugar a una estadística de fotones anti-agrupados. Sin embargo, Goncalves et al. (2021) estudiaron la posibilidad de interconectar el átomo con un haz de bombeo fuerte y un haz de sondeo débil, lo que da lugar a una estadística de fotones que puede ser controlada, en la que se pueden lograr estadísticas super-poissonianas y sub-poissonianas variando la relación entre el bombeo y el sondeo o la fase relativa entre ambos. Al controlar la relación bombeo-sondeo, también es posible controlar la transmisión del sondeo a través del átomo. La implementación experimental del esquema "GMC" muestra el comportamiento previsto, en el que la transmisión puede suprimirse hasta el 62 % y ajustarse cambiando la relación bombeo-sondeo. También muestra que la estadística de los fotones puede pasar de super-poissoniana a sub-poissoniana cambiando la fase relativa de bombeo-sondeo, y que el agrupamiento de los fotones conseguido también depende de la relación bombeo-sondeo. Además, en esta tesis se presenta la medida de la temperatura del átomo, en la que la interferencia de los haces de bombeo y sondeo en el átomo conduce a mediciones directas del desplazamiento rms del átomo dentro de la trampa, que está directamente relacionado con la temperatura del átomo. Estas mediciones demuestran un nuevo método no destructivo para estimar la temperatura del átomo.
(English) The rapid advancement of quantum technologies is currently pushing the boundaries of scientific and technological innovation. Among the various platforms for translating quantum theory into practical applications, photons have emerged as particularly strong contenders. Their inherent advantages, such as low decoherence and swift propagation, make them ideal carriers of quantum information for communication, computation and sensing purposes. However, the efficient manipulation and control of photonic quantum states presents significant challenges, often requiring the use of interfaces. In this Thesis, we investigate several novel approaches to engineer and control the properties of light using a very traditional system: trapped neutral atoms in free space. In Chapter 2, we introduce a novel method to observe and manipulate strong quantum interference effects between a few photons and a single free-space atom. The approach uses a Maltese-cross configuration, where two perpendicular pump and probe coherent fields drive the atom. Even for a weak atom-light coupling, we demonstrate that adjusting the relative pump-probe strength ratio and phase can simulate an artificially enhanced coupling efficiency for specific observables. In particular, we are able to engineer photon correlations from fully anti-bunched to extremely bunched states, and control the linear transmission properties in specific directions. In Chapter 3, we propose the combination of ordered atomic arrays and Rydberg Electromagnetically Induced Transparency (EIT) as a promising platform for quantum nonlinear optics. The spatial periodicity of the array enables precise control over photon scattering, reducing the inherent dissipation associated with traditional Rydberg EIT protocols. Using a two dimensional array, we design and characterize a single photon switch, where the storage of a single photon as a Rydberg excitation results in a strong change in the system's optical response. This switch can be used to implement a photon-photon gate with an error scaling with the Rydberg blockade radius as Rb^{-4}, potentially reaching gate efficiencies of up to 99% for realistic experimental parameters. Additionally, we model the optical properties of the array in the strong driving regime, where the system is multiply excited. In Chapter 4, we discuss a recent experiment that observed features of the Driven-dissipative Dicke phase transition in a driven elongated cloud in free space. This is unexpected, as the Dicke model typically involves an ensemble coupling identically to a single, lossy photonic mode, akin to an ensemble coupled to a cavity. Instead, a free-space ensemble interacts with a continuum of modes, encoding propagation effects. Solving a simple model to explain this behavior, based on the one-dimensional Maxwell-Bloch equations, we observe nonanalytic behavior in certain observables. However, a closer analysis reveals a significant spatial inhomogeneity in atomic properties. We thus argue that the free-space system does not undergo a phase transition but rather a “phase separation,” roughly speaking, between saturated and unsaturated regions. Beyond understanding the phase transition, we also elucidate under which conditions some properties of atoms in cavities can be mapped to atoms in free space. Together, the results in this Thesis represent a meaningful contribution towards better understanding phenomena associated to atom-light interactions in free space, and towards translating that knowledge into practical useful implementations. (Català) El ràpid avenç de les tecnologies quàntiques està empenyent la frontera de la innovació científica i tecnològica. Entre els diferents sistemes utilitzats per convertir teoria quàntica en aplicacions útils, els fotons es presenten com a contendents de particular interès. Els seus avantatges inherents, com la baixa decoherència i ràpida propagació, els fan portadors ideals d'informació quàntica per a aplicacions en comunicació, computació i mesura. Tanmateix, la manipulació i control eficients d'estats quàntics fotònics presenten reptes significatius, sovint requerint l'ús d'interfícies. En la present Tesi, investiguem diversos enfocaments innovadors per dissenyar i controlar les propietats de la llum utilitzant àtoms neutres atrapats en el buit. Al Capítol 2, presentem un nou mètode per observar i manipular efectes d'interferència quàntica entre uns pocs fotons i un sol àtom en el buit. El nostre enfocament utilitza una configuració de Creu de Malta, on dos feixos coherents il·luminen l'àtom en direccions perpendiculars. Fins i tot quan l'acoblament àtom-fotó és dèbil, demostrem que un ajust precís de les relacions d'intensitat i fase relativa dels feixos és equivalent a obtenir una eficiència d'acoblament efectiva, la qual pot ser artificialment augmentada per a determinats observables. En particular, és possible dissenyar correlacions entre fotons, des d'estats totalment antiagrupats fins a estats extremadament agrupats, així com controlar les propietats de la transmissió lineal en direccions específiques. Al Capítol 3, proposem la combinació de retícules atòmiques ordenades, protocols de Transparència Electromagnèticament Induïda (EIT) i àtoms de Rydberg com una plataforma prometedora per a l'òptica quàntica no lineal. La periodicitat espacial de la retícula permet un control precís sobre la dispersió de fotons, reduint la dissipació inherent de protocols tradicionals basats en EIT i Rydberg. Utilitzant una retícula bidimensional, dissenyem i caracteritzem un `ìnterruptor'' accionat amb fotons individuals, on l'emmagatzematge d'un sol fotó com a excitació de Rydberg resulta en un fort canvi de la resposta òptica del sistema. Aquest interruptor es pot utilitzar per implementar portes lògiques fotó-fotó amb un error que escala amb el radi de bloqueig de Rydberg com R_b^{-4}, assolint potencialment eficiències de fins a 99% per a paràmetres assequibles experimentalment. Al Capítol 4, discutim un recent experiment on es van observar característiques pròpies de la transició de fase de Dicke en un núvol d'àtoms allargat il·luminat en el buit. Això és inesperat, ja que el model de Dicke típicament involucra un conjunt d'àtoms acoblats de manera idèntica a un sol mode fotònic, similar a un conjunt d'àtoms en una cavitat. En canvi, els àtoms en el buit interactuen amb un continu de modes òptics, donant lloc a efectes de propagació que comprometen la uniformitat del model de Dicke. En aquest capítol, presentem i resolem un model simple per explicar el comportament observat en l'experiment, basat en les equacions de Maxwell-Bloch unidimensionals. Tot i trobar un comportament no analític en certs observables, una anàlisi més detallada revela una inhomogeneïtat espacial significativa en les propietats atòmiques. Per això, concloem que el sistema en l'espai lliure no experimenta una transició de fase tradicional, sinó més aviat una ``separació'' de fase, entre regions saturades i no saturades. En conjunt, els resultats d'aquesta Tesi representen una contribució significativa cap a una millor comprensió dels fenòmens quàntics associats a les interaccions àtom-fotó en el buit, i cap a la conversió d'aquest coneixement en implementacions tecnològiques pràctiques. (Español) El rápido avance de las tecnologías cuánticas está empujando la frontera de la innovación científica y tecnológica. Entre los distintos sistemas utilizados para convertir teoría cuántica en aplicaciones tecnológicas, los fotones se presentan como contendientes de particular interés. Sus ventajas inherentes, como la baja decoherencia y rápida propagación, los hacen portadores ideales de información cuántica para aplicaciones en comunicación, computación y medición. Sin embargo, la manipulación y control eficientes de estados cuánticos fotónicos presentan desafíos significativos, a menudo requiriendo el uso de interfaces. En la presente Tesis, investigamos varios enfoques novedosos para diseñar y controlar las propiedades de la luz utilizando átomos neutros atrapados en el vacío. En el Capítulo 2, presentamos un nuevo método para observar y manipular efectos de interferencia cuántica entre unos pocos fotones y un solo átomo en el vacío. Nuestro enfoque utiliza una configuración de Cruz de Malta, donde dos haces coherentes iluminan el átomo en direcciones perpendiculares. Incluso cuando el acoplamiento átomo-fotón es débil, demostramos que un ajuste preciso de las relaciones de intensidad y fase relativa de los haces es equivalente a una eficiencia de acoplamiento efectiva, la cual puede ser artificialmente aumentada para determinados observables. En particular, es posible diseñar correlaciones entre fotones, desde estados totalmente antiagrupados hasta estados extremadamente agrupados, así como controlar las propiedades de la transmisión lineal en direcciones específicas. En el Capítulo 3, proponemos la combinación de retículos atómicos ordenados, protocolos de Transparencia Electromagnéticamente Inducida (EIT) y átomos de Rydberg como una plataforma prometedora para la óptica cuántica no lineal. La periodicidad espacial del retículo permite un control preciso sobre la dispersión de fotones, reduciendo la disipación inherente de protocolos tradicionales basados en EIT y Rydberg. Usando un retículo bidimensional, diseñamos y caracterizamos un `ìnterruptor'' accionado con fotones individuales, donde el almacenamiento de un solo fotón como excitación de Rydberg resulta en un fuerte cambio de la respuesta óptica del sistema. Este interruptor puede usarse para implementar puertas lógicas fotón-fotón con un error que escala con el radio de bloqueo de Rydberg como Rb^{-4}, alcanzando potencialmente eficiencias de hasta 99% para parámetros asequibles experimentalmente. En el Capítulo 4, discutimos un reciente experimento donde se observaron características propias de la t
(English) This thesis studies, using simulation and experiment, the motional dynamics of a single atom in an optical dipole trap. The optical dipole trap we study is a single-beam, red-detuned, far-off-resonance trap (FORT). This FORT is located at the centre of an arrangement of four high-NA lenses in the "Maltese cross'' geometry, which facilitates measurements based on atomic fluorescence. We make a detailed study, combining simulation with experimental measurements, of the temperature of the atom in this system. We note reasons why a single-temperature description could fail to describe the motional statistics of the atom in the trap. We then study the sensitivity of an established method, the release-and-recapture, to a possible anisotropic temperature distribution of the atom. We also measure the optical extinction produced by the atom, from which we extract a lower bound on the strength of interaction. Finally, we show with simulation results and experiments, how parametric excitation of the atom in the FORT can be used to manipulate its phase-space distribution, which can lead to an effective decrease or increase of the atom's kinetic energy. (Català) Aquesta tesi estudia, mitjançant simulació i experiments, la dinàmica del moviment d'un sol àtom en un parany de dipol òptic. El parany de dipol òptic que estudiem és un parany fora de ressonància (far-off-resonance trap, FORT) d'un sol feix, dessintonitzat cap al vermell. Aquesta FORT està situada en el centre de quatre lents d'alta obertura numèrica en la configuració “ Maltese cross” , que facilita els mesuraments basats en la fluorescència de l'àtom. Realitzem un estudi detallat, combinant simulacions i experiments, de la temperatura de l'àtom en aquest sistema. Assenyalem les raons per les quals el model de l'àtom amb una temperatura única pot fallar en descriure les estadístiques del seu moviment en el parany. A més, estudiem la sensibilitat del ja establert mètode “ release and recapture” a una possible distribució anisotròpica de la temperatura de l'àtom. També mesurem l'extinció òptica causada per l'àtom, a partir de la qual extraiem un limiti inferior de la força d'interacció. Finalment, vam demostrar amb resultats experimentals i de simulacions, com l'excitació paramètrica de l'àtom a la FORT pot ser utilitzada per a manipular la distribució del seu espai de fase, portant a una disminució o augment efectiu de la seva energia cinètica. (Español) Esta tesis estudia, mediante simulación y experimentos, la dinámica del movimiento de un solo átomo en una trampa de dipolo ´óptico. La trampa de dipolo óptico que estudiamos es una trampa fuera de resonancia (far-off-resonance trap, FORT) de un solo haz, desintonizado hacia el rojo. Esta FORT está ubicada en el centro de cuatro lentes de alta apertura numérica en la configuración “ Maltese cross” , que facilita las mediciones basadas en la fluorescencia del átomo. Realizamos un estudio detallado, combinando simulaciones y experimentos, de la temperatura del átomo en este sistema. Señalamos las razones por las que el modelo del átomo con una temperatura única puede fallar al describir las estadísticas de su movimiento en la trampa. Además, estudiamos la sensibilidad del ya establecido método “ release and recapture” a una posible distribución anisotrópica de la temperatura del átomo. También medimos la extinción óptica causada por el átomo, a partir de la cual extraemos un limite inferior de la fuerza de interacción. Finalmente, demostramos con resultados experimentales y de simulaciones, cómo la excitación paramétrica del átomo en la FORT puede ser utilizada para manipular la distribución de su espacio de fase, llevando a una disminución o aumento efectivo de su energía cinética.
Photons are good candidates for carrying quantum information because they are very stable particles: they interact weakly with the medium and barely with each other. However, this has drawbacks when you want to process the information because, in this case, it is preferable to have photon-photon interactions. For example, for applications in quantum repeaters, such interactions would allow deterministic Bell state measurements, increasing the entanglement distribution rate between two remote nodes. Getting two photons to interact with each other efficiently requires mapping them into a nonlinear medium at the single-photon level, that is, a medium that reacts differently when it interacts with a single photon than when it does with two. Such strong nonlinearity has been demonstrated with Rydberg atoms, which are atoms excited to a state with a high principal quantum number. In this thesis we have performed nonlinear quantum optics experiments using an ensemble of cold Rydberg atoms, where we have studied the properties of the quantum light emitted by these atoms. First, we demonstrated nonlinearities at the single-photon level. To reach this stage, we made several improvements to the previous experimental setup available in the group, of which the implementation of a dipole trap was especially relevant. We evidence quantum nonlinearity by measuring photon antibunching for the transmitted light after interacting with the Rydberg state under electromagnetically induced transparency (EIT). We also showed the generation of single photons on-demand after storing weak coherent states of light pulses as collective Rydberg excitations. Then, we studied the variation of the light statistic throughout the output pulse after propagating through the medium as Rydberg polaritons, which are superposition states of light and Rydberg excitations. We showed that the properties at the beginning and the end of the pulse were different from those of the steady state. In particular, the light detected after the input pulse was abruptly turned off gave much stronger suppression of two-photon events. Then, we investigated how to exploit this effect to generate single photons on demand. To do this, we analyzed the quality of the single photons detected at the end of the pulse as a function of the detection probability and compared the results with those obtained by storing the input pulse as collective Rydberg excitations. We showed that the photons were generated more efficiently when increasing the detection window at the cost of deteriorating the single photons statistics. Finally, we investigated the indistinguishability of the photons emitted by our Rydberg atomic ensemble, a crucial property for using Rydberg atoms as nodes in quantum networks. We also compared the single photons generated after storage under EIT conditions with those obtained using a two-photon Raman excitation to the Rydberg state. We measured the indistinguishability by making them interfere with weak coherent states of light in a Hong-Ou-Mandel experiment. And we showed that, although we obtained better photon statistics under EIT conditions, the indistinguishability from those obtained with Raman excitation was significantly higher. Els fotons són bons candidats per transportar informació quàntica perquè són partícules molt estables: interaccionen dèbilment amb el medi i, amb prou feines, entre ells. Això també presenta inconvenients quan es vol processar la informació perquè, en aquest cas, és preferible tenir interaccions fotó-fotó. Per exemple, per a aplicacions en repetidors quàntics, aquestes interaccions permetrien mesuraments deterministes d'estats de Bell, produint un augment de la velocitat de distribució de l'entrellaçament entre dos nodes remots. Fer que dos fotons interactuïn entre ells de manera eficient requereix mapejar-los en un medi no lineal a nivell d'un sol fotó, és a dir, un medi que reacciona de manera diferent quan interactua amb un sol fotó que quan ho fa amb dos. Una no linealitat tan forta ha estat demostrada amb àtoms de Rydberg, que són àtoms excitats a un estat amb un nombre quàntic principal alt. En aquesta tesi hem realitzat experiments d'òptica quàntica no lineal emprant conjunts d'àtoms freds de Rydberg, on hem estudiat les propietats de la llum quàntica emesa per aquests àtoms. En primer lloc, vam demostrar no linealitats a nivell d'un sol fotó. Per arribar a aquest estat, vam realitzar diverses millores a la configuració experimental anterior disponible al grup, de les quals va ser especialment rellevant la implementació d'un parany dipolar. La no linealitat quàntica es va evidenciar mesurant el desagrupament dels fotons de la llum transmesa després d'interactuar amb l'estat de Rydberg sota transparència induïda electromagnèticament (TIE). També vam comprovar la generació de fotons individuals sota demanda després d'emmagatzemar estats coherents febles de polsos de llum com excitacions col ·lectives de Rydberg. A continuació vam estudiar la variació de l'estadística de la llum al llarg del pols de sortida despr és de propagar-se a través del medi com a polaritons de Rydberg, que són estats de superposició de llum i excitacions de Rydberg. Es va demostrar que les propietats al principi i al final del pols eren diferents a les de l'estat estable. En particular, la llum detectada després que el pols d'entrada s'apagués abruptament va donar una supressió molt més gran dels esdeveniments de dos fotons. Tot seguit, vam investigar com aquest efecte podria usar-se per generar fotons individuals sota demanda. Per a fer-ho, vam analitzar la qualitat dels fotons individuals detectats a la fi del pols en funció de la probabilitat de detectar-los i vam comparar els resultats amb els obtinguts emmagatzemant el pols d'entrada com excitacions col ·lectives de Rydberg. D'aquesta manera, vam poder comprovar que els fotons es van generar més eficientment quan vam augmentar la finestra de detecció a costa de deteriorar l'estadística dels fotons individuals. Finalment, vam investigar la indistingibilitat dels fotons emesos pel nostre conjunt atòmic de Rydberg, una propietat crucial per utilitzar àtoms de Rydberg com a nodes de xarxes quàntiques. També vam comparar els fotons individuals generats després de l'emmagatzematge en condicions de TIE amb els obtinguts emprant una excitació Raman de dos fotons a l'estat de Rydberg. La indistingibilitat es va medir fent-los interferir amb estats coherents febles de llum en un experiment de Hong- Ou-Mandel. I vam demostrar que, tot i que vam obtenir millors estadístiques dels fotons en condicions de TIE, l'indistingibilitat dels obtinguts amb excitació Raman resultava significativament més gran Los fotones son buenos candidatos para transportar información cuántica porque son partículas muy estables: interaccionan débilmente con el medio y apenas entre ellos. Sin embargo, esto presenta inconvenientes cuando se quiere procesar la información porque, en este caso, es preferible tener interacciones fotón-fotón. Por ejemplo, para aplicaciones en repetidores cuánticos, tales interacciones permitirán mediciones deterministas de estados de Bell, aumentando la velocidad de distribución del entrelazamiento entre dos nodos remotos. Hacer que dos fotones interactúen entre sí de manera eficiente requiere mapearlos en un medio no lineal a nivel de un solo fotón, es decir, un medio que reacciona de manera diferente cuando interactúa con un solo fotón que cuando lo hace con dos. Una no linealidad tan fuerte ha sido demostrada con átomos de Rydberg, que son átomos excitados a un estado con un número cuántico principal alto. En esta tesis hemos realizado experimentos de óptica cuántica no lineal utilizando conjuntos de átomos fríos de Rydberg, donde hemos estudiado las propiedades de la luz cuántica emitida por estos átomos. En primer lugar, demostramos no linealidades a nivel de un solo fotón. Para llegar a este estado, realizamos varias mejoras a la configuración experimental anterior disponible en el grupo, de las cuales fue especialmente relevante la implementación de una trampa dipolar. La no linealidad cuántica se evidenció midiendo un desagrupamiento de los fotones de la luz transmitida después de interactuar con el estado de Rydberg bajo transparencia inducida electromagnéticamente (TIE). También comprobamos la generación de fotones individuales bajo demanda después de almacenar estados coherentes débiles de pulsos de luz como excitaciones colectivas de Rydberg. A continuación, estudiamos la variación de la estadística de la luz a lo largo del pulso de salida después de propagarse a través del medio como polaritones de Rydberg, que son estados de superposición de luz y excitaciones de Rydberg. Se demostró que las propiedades al principio y al final del pulso eran diferentes a las del estado estable. En particular, la luz detectada después de que el pulso de entrada se apagara abruptamente dio una supresión mucho mayor de los eventos de dos fotones. Seguidamente, investigamos cómo este efecto podría usarse para generar fotones individuales bajo demanda. Para ello, analizamos la calidad de los fotones individuales detectados al final del pulso en función de la probabilidad de detectarlos y comparamos los resultados con los obtenidos almacenando el pulso de entrada como excitaciones colectivas de Rydberg. Pudimos así comprobar que los fotones se generaron más eficientemente cuando incrementamos la ventana de detección a costa de deteriorar la estadística de los fotones individuales. Finalmente, investigamos la indistinguibilidad de los fotones emitidos por nuestro conjunto atómico de Rydberg, una propiedad crucial para usar átomos de Rydberg como nodos de redes cuánticas. También comparamos los fotones individuales generados después del almacenamiento en condiciones de TIE con los obtenid
Controlling the photon statistics of light is paramount for quantum science and technologies. Recently, we demonstrated that transmitting resonant laser light past an ensemble of two-level emitters can result in a stream of single photons or excess photon pairs. This transformation is due to quantum interference between the transmitted laser light and the incoherently scattered photon pairs [Prasad et al., Nat. Photonics 14, 719 (2020)NPAHBY1749-488510.1038/s41566-020-0692-z]. Here, using the dispersion of the atomic medium, we actively control the relative quantum phase between these two components. We thereby realize a tunable two-photon interferometer and observe interference fringes in the normalized photon coincidence rate. When tuning the relative phase, the coincidence rate varies periodically, giving rise to a continuous modification of the photon statistics from antibunching to bunching. Beyond the fundamental insight that there exists a tunable quantum phase between incoherent and coherent light that dictates the photon statistics, our results lend themselves to the development of novel quantum light sources.
In this project, we present a novel approach to calculate and engineer the photon correlations emerging from the interference between an input field and the field scattered by an atom in free space. Historically, it has been difficult to observe robust quantum correlations in the total field, as the inefficient atom-light coupling in free space usually causes the scattered field to be small in comparison to the input. To overcome this issue, we propose the use of separate pump and probe beams, where the former effectively enhances the atomic emission to be comparable to the probe. Additionally, we elucidate the physical origin of the non-classical correlations predicted, by studying the transient atomic state after the measurement of a photon.
Cavity quantum electrodynamics (cavity QED) describes electromagnetic fields in a confined space and the radiative properties of atoms in such fields. The simplest example of such system is a single atom interacting with one mode of a high-finesse resonator. Besides observation and exploration of fundamental quantum mechanical effects, this system bears a high potential for applications quantum information science such as, e.g., quantum logic gates, quantum communication and quantum teleportation. In this thesis I present an experiment on the deterministic coupling of a single neutral atom to the mode of a high-finesse optical resonator. In Chapter 1 I describe our basic techniques for trapping and observing single cesium atoms. As a source of single atoms we use a high-gradient magneto-optical trap, which captures the atoms from background gas in a vacuum chamber and cools them down to millikelvin temperatures. The atoms are then transferred without loss into a standing-wave dipole trap, which provides a conservative potential required for experiments on atomic coherence such as quantum information processing and metrology on trapped atoms. Moreover, shifting the standing-wave pattern allows us to deterministically transport the atoms (Chapter 2). In combination with non-destructive fluorescence imaging of individual trapped atoms, this enables us to control their position with submicrometer precision over several millimeters along the dipole trap. The cavity QED system can distinctly display quantum behaviour in the so-called strong coupling regime, i.e., when the coherent atom-cavity coupling rate dominates dissipation in the system. This sets the main requirements on the resonator's properties: small mode volume and high finesse. Chapter 3 is devoted to the manufacturing, assembling, and testing of an ultra-high finesse optical Fabry-Perot resonator, stabilized to the atomic transition. In Chapter 4 I present the transportation of single atoms into the cavity and their coupling to the cavity mode. The strong coupling manifests itself in a strong reduction of the cavity transmission probed by a weak external laser. The atoms remain trapped and coupled to the cavity mode for several seconds until we move them out of the cavity for final analysis of their number and position.