TY - JOUR

T1 - Light–matter quantum interface with continuous pump and probe

AU - Roth, Alexander

AU - Hammerer, Klemens

AU - Тихонов, Кирилл Сергеевич

N1 - Спин-поляризованные атомные ансамбли, зондируемые светом в режиме фарадеевского взаимодействия, представляют собой универсальную платформу для многочисленных приложений в квантовой метрологии и обработке квантовой информации. В этой работе мы рассматриваем ансамбль атомов щелочных металлов, которые непрерывно подвергаются оптической накачке и зондированию. Из-за коллективного рассеяния фотонов на атомном ансамбле с большой оптическую толщиной стационарное состояние атомов не соответствует некоррелированному состоянию, когда все атомы находятся в основном состоянии, как это обычно предполагается. Нами вводится самосогласованный метод, позволяющий получить аппроксимацию стационарного состояния, включающую парные корреляции, с учетом многоуровневой структуры атомов. Найдены и охарактеризованы режимы рамановской генерации, близкие к модели сверхизлучающего лазера. Мы определяем спектр коллективно рассеянных фотонов, который также характеризует время когерентности коллективных спиновых возбуждений поверх стационарного коррелированного состояния среднего поля, что важно для приложений в метрологии и квантовой информации.

PY - 2023/2/15

Y1 - 2023/2/15

N2 - Spin-polarised atomic ensembles probed by light based on the Faraday interaction are a versatile platform for numerous applications in quantum metrology and quantum information processing. Here we consider an ensemble of Alkali atoms that are continuously optically pumped and probed. Due to the collective scattering of photons at large optical depth, the steady state of atoms does not correspond to an uncorrelated tensor-product state, as is usually assumed. We introduce a self-consistent method to approximate the steady state including the pair correlations, taking into account the multilevel structure of atoms. We find and characterize regimes of Raman lasing, akin to the model of a superradiant laser. We determine the spectrum of the collectively scattered photons, which also characterises the coherence time of the collective spin excitations on top of the stationary correlated mean-field state, as relevant for applications in metrology and quantum information.

AB - Spin-polarised atomic ensembles probed by light based on the Faraday interaction are a versatile platform for numerous applications in quantum metrology and quantum information processing. Here we consider an ensemble of Alkali atoms that are continuously optically pumped and probed. Due to the collective scattering of photons at large optical depth, the steady state of atoms does not correspond to an uncorrelated tensor-product state, as is usually assumed. We introduce a self-consistent method to approximate the steady state including the pair correlations, taking into account the multilevel structure of atoms. We find and characterize regimes of Raman lasing, akin to the model of a superradiant laser. We determine the spectrum of the collectively scattered photons, which also characterises the coherence time of the collective spin excitations on top of the stationary correlated mean-field state, as relevant for applications in metrology and quantum information.

KW - фарадеевское взаимодействие

KW - эффект Фарадея

KW - квантовое неразрушающее взаимодействие

KW - Сверхизлучение

KW - сверхизлучательный лазер

KW - кооператинвые эффекты

KW - рамановское излучение

KW - атомные ансамбли

KW - коллективное рассеивание

UR - https://www.mendeley.com/catalogue/089cc8e0-de72-3525-a22c-b216a4d185d1/

U2 - 10.1088/1361-6455/acb6db

DO - 10.1088/1361-6455/acb6db

M3 - Article

VL - 56

JO - Journal of the European Optical Society Part B: Quantum Optics

JF - Journal of the European Optical Society Part B: Quantum Optics

SN - 0953-4075

M1 - 055502

ER -