Atomic ensembles in a microcavity : from cavity protection to single atom control
Ensembles atomiques en microcavité : de la protection par la cavité au contrôle d'atomes uniques
Résumé
Generating and manipulating multiparticle quantum entangled states is an exciting challenge of modern physics. Along this line, we have built a platform where cold rubidium atoms are strongly coupled to a fiber-based microcavity, under a quantum gas microscope. The atoms are trapped in a lattice at 1560nm, which allows strong and homogeneous coupling to the commensurate probe lattice at 780nm. First, we observe a coherent interaction between the cavity and the atoms, in the strong coupling regime, in spite of a large frequency inhomogeneity induced by the trap. It is the first report of such cavity protection effect with less than 200 emitters. We measure the growing coupling of the dark states to the cavity as the disorder takes over the collective coupling. In the protected regime we engineer frequency-modulated polaritons through a modulation of the atomic frequency. Then, we setup optical tweezers in the microcavity to obtain and manipulate several single atoms. The cavity enables fast and non demolition detection of a single atom in a tweezer. We measure the vacuum Rabi splitting of this atom, demonstrating its strong coupling with an effective cooperativity of 30. Finally, we obtain single atoms in a chain of 9 tweezers. This work opens to way to manipulating many individual atoms strongly coupled to the cavity, with applications in multiparameter quantum metrology, using spatially distributed and locally measurable entanglement as a resource, and quantum simulation of a chain of addressable spins with cavity-mediated infinite range interactions.
Générer et manipuler des états quantiques intriqués multiparticules est un des défis excitants de la physique expérimentale moderne. À cette fin, nous avons construit une plateforme où des atomes froids sont fortement couplés à une microcavité optique fibrée, sous un microscope de gaz quantique. Piégés dans un réseau à 1560nm, les atomes ont un couplage fort et homogène à la sonde à 780nm. Celui-ci permet leur interaction cohérente avec la cavité, malgré la forte hétérogénéité en fréquence induite par le piège. C'est la première observation d’un effet de protection par la cavité avec moins de 200 émetteurs. Nous mesurons le couplage croissant des états noirs à la cavité à mesure que le désordre l'emporte sur l'interaction collective. Dans le régime protégé nous démontrons la modulation en fréquence des polaritons, via la fréquence atomique. Ensuite, nous mettons en place des pinces optiques dans la microcavité, pour générer et manipuler plusieurs atomes uniques. La cavité permet la détection rapide et non destructive d'un atome unique dans une pince. Par une mesure du doublet de Rabi, nous démontrons son couplage fort à la cavité, avec une coopérativité effective de 30. Pour finir, nous obtenons des atomes uniques dans une chaine de 9 pinces. Ce travail conduira à la manipulation de plusieurs atomes individuels, fortement couplés à la cavité, avec des applications en métrologie quantique multiparamètre, mettant à profit des états intriqués spatialement étendus et localement mesurables, et la simulation quantique d'une chaine de spins adressables, avec des interactions de portée infinie via la cavité.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|