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Bibliographic Metadata

Title
Chiral quantum optics with spins, photons, and phonons / vorgelegt von Tomás Ramos del Rio
AuthorRamos, Tomás del Rio
CensorFleischhauer, Michael ; Marquardt, Florian
Thesis advisorZoller, Peter
PublishedInnsbruck, Mai 2016
Descriptionxv, 206, 2 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
Annotation
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Kumulative Dissertation aus fünf Artikeln
Date of SubmissionMay 2016
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Quantenoptik / offenen Vielteilchen Quantensysteme / Quantennetzwerke / Licht-Materie Schnittstellen / Chiralität / ultrakalte Atome / kalte gefangene Ionen / Rydberg Atome / optomechanische Systeme
Keywords (EN)Quantum optics / open many-body quantum systems / quantum networks / light-matter interfaces / chirality / ultra cold atoms / cold trapped ions / Rydberg atoms / optomechanical systems
Keywords (GND)Quantenoptik / Spin / Photon / Phonon
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5003 Persistent Identifier (URN)
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 The work is publicly available
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Chiral quantum optics with spins, photons, and phonons [5.24 mb]
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Classification
Abstract (German)

Gebiet der Quantenoptik beschäftigt sich mit der Wechselwirkung zwischen Licht und Materie auf fundamentalster Ebene, nämlich als Energieaustausch zwischen einzelnen Photonen und einzelnen Quantenemittern. Im Falle der Wechselwirkung eines angeregten Atoms mit dem elektromagnetischen Vakuum führt diese grundsätzlich isotrope Kopplung zu einem spontan emittierten Photon ohne bevorzugte Emissionsrichtung. Dennoch haben neueste Fortschritte im Fangen von Atomen in der unmittelbaren Nähe von nanophotonischen Wellenleitern gezeigt, dass starke räumliche Einengung von Licht in natürlicher Weise zu Situationen führen kann, in welchen angeregte Atome asymmetrisch zerfallen, nämlich in sich nach links- und rechts-bewegende Photonen entlang des Wellenleiters. Diese, vor kurzem als `chiral bezeichnete, richtungsabhängige Licht-Materie Wechselwirkung eröffnet enorme Perspektiven, sowohl für richtungsabhängige Quantennetzwerke, als auch für neue Vielteilchen-Phasen aus Licht und Materie. In diesem Kontext werden in der vorliegenden Arbeit verschiedene quantenoptische Systeme vorgeschlagen, mit welchen diese chiralen Wechselwirkungen erzeugt und kontrolliert werden können. Wir untersuchen Auswirkungen dieser chiralen Wechselwirkungen auf die offene Vielteilchendynamik von Quantenemittern, welche an eindimensionale Wellenleiter gekoppelt sind, und schlagen Modelle zur Realisierung von `on-chip chiralen Quantennetzwerken vor.

Teil I dieser Arbeit untersucht die Markovsche, getrieben-dissipative Dynamik einer Spin-Kette mit chiraler Kopplung an einen 1D bosonischen Wellenleiter. Insbesondere zeigen wir, wie das Zusammenspiel zwischen kohärentem Treiben, chiralen Reservoir-vermittelten Wechselwirkungen und Zerfall bedingungslos zu einem reinen und Vielteilchen-verschänkten stationären Zustand führt. Dabei handelt es sich um ein Beispiel für einen Vielteilchen-`Dunkelzustand der getrieben-dissipativen Dynamik, der als neue nichtgleichgewichts magnetische Materiephase interpretiert werden kann, in welcher die Spins in verschränkten Ansammlungen geordnet und vom Rest der Kette entkoppelt sind.

Aufgrund der ungewollten spontanen Emission außerhalb des Wellenleiters, ist es im Fall von chiral an nanophotonische Wellenleiter gekoppelten Atomen herausfordernd, solche reine, stationäre Zustände zu beobachten. Trotzdem schlagen wir auch eine rein atomare Implementation vor, um die chirale Kopplung zu konstruieren. Im Speziellen betrachten wir eine Mischung zweier Arten von kalten Atomen, welche auf eine 1D Geometrie begrenzt ist. Eine Atomsorte ist in einem optischen Gitter gefangen und realisiert die Spin-Kette, während die andere Sorte ein 1D quasi-Bose-Einstein-Kondensat (BEK) formt, dessen Bogoliubov Anregungen die Wellenleitermoden realisieren. Wir zeigen, dass die Kopplung zwischen den beiden Atomsorten durch die Anwendung von synthetischer Spin-Orbit Kopplung an die BEK Atome chiralen Charakter erhält und damit die Formation von reinen, stationären Zuständen unter realistischen Bedingungen erlaubt.

In Teil II der vorliegenden Arbeit schlagen wir ein Modell für ein chirales Quantennetzwerk vor, bei welchem Zwei-Niveau-Systeme die Knotenpunkte darstellen. Diese wechselwirken durch gerichtete Emission in diskreten Wellenleitern, was via Spin-Ketten oder Anordnungen von phononischen Schwingungen realisiert wird. Obwohl die Wellenleiter als endlich angenommen werden, verhalten sie sich wie unendliche Reservoirs, da an deren Enden lokale Verluste konstruiert werden, welche jede einlaufende Anregung absorbieren und daher Ausgabeports darstellen. Da wir sowohl die Dynamik dieser endlichen Spin- oder Phonon-Wellenleiter als auch die Dynamik der Knotenpunkte auf gleicher theoretischer Ebene betrachten, werden die wichtigsten Manifestationen von nicht-Markovschen Effekten in solchen Quanten-Netzwerken berücksichtigt, nämlich die Verzögerung im Austausch von Anregungen zwischen entfernten Knotenpunkten und Band-Kanten Effekten aufgrund der Nichtlinearität der Wellenleiter-Dispersion. Außerdem inkludieren wir das Antreiben der Knotenpunkte und charakterisieren den Einfluss von kontrollierten nicht-Markovschen Effekten und Chiralität, sowohl auf die transient getrieben-dissipative Dynamik des Quantennetzwerks, als auch auf den stationären Zustand. Aufgrund des 1D Charakters des Netzwerks sind Matrix-Produkt-Zustand (MPZ) Methoden effizient, um die Evolution des Systems zu beschreiben. Auf experimenteller Seite schlagen wir zwei Aufbauten zur Umsetzung dieses Quantennetzwerkmodells vor. Eine Implementierung realisiert einen Spin-Wellenleiter via Rydberg-Zuständen in einer Kette von Atomen, während die andere Implementierung durch lokalisierte Schwingungen einer Kette von gefangenen Ionen einen Phononen-Wellenleiter verwirklicht. Für beide Implementierungen zeigen wir, wie die chiralen Wechselwirkungen durch geeignete Erzeugung von synthetischen Eichfeldern in der Kopplung zwischen den Knotenpunkten und dem Wellenleiter konstruiert werden können.

In Teil III der vorliegenden Arbeit schlagen wir einen anderen Typ eines konstruierten Quantensystems vor, bei welchem die Schwingungen eines optomechanischen Systems verwendet werden, um eine neue Art von Hohlraum-Quantenelektrodynamik (QED) zu realisieren. Strukturelle Zwei-Niveau-Defekte, welche in natürlicher Weise in Materialien optomechanischer Geräte gefunden werden, können durch Dehnungsdeformationen an die mechanischen Schwingungen der Struktur koppeln. Unter Verwendung von Finite-Elemente Simulationen zeigen wir, dass sich das Regime der starken Kopplung zwischen einem Einzelnen dieser Defekte und der mechanischen Mode im experimentell realisierbaren Bereich von momentan verfügbaren optomechanischen Systemen befindet. Weiters zeigen wir, dass klare Signaturen von starker Phonon-Defekt Hybridisierung mit Hilfe des optischen Ausgangsspektrums beobachtet werden können, welche sogar bei endlichen Temperaturen bestehen bleiben.

Abstract (English)

Quantum optics studies the interaction between light and matter on the most fundamental level, namely, as energy exchanges between single photons and single quantum emitters. In the case of an excited atom interacting with the electromagnetic vacuum, this coupling is fundamentally isotropic, leading to a spontaneously emitted photon with no preferred direction. Nevertheless, recent advances in trapping atoms close to nanophotonic waveguides have shown that the strong confinement of light can naturally lead to situations in which excited atoms decay asymmetrically into left- and right-moving photons along the waveguide. This directional light-matter interaction has been recently called `chiral', and opens tremendous perspectives for realizing directional quantum networks, as well as novel many-body phases of light and matter. In this context, the present thesis proposes various quantum optical setups where these chiral interactions can be engineered and controlled. We study implications of these chiral interactions on the open many-body dynamics of quantum emitters coupled to one-dimensional waveguides and propose models for building `on-chip' chiral quantum networks.

Part I of the thesis explores the Markovian driven-dissipative dynamics of a spin chain with chiral coupling to a 1D bosonic waveguide. In particular, we show how the interplay between coherent drive, chiral reservoir-mediated interactions, and decay unconditionally leads the spin chain to a steady state that is pure and multi-partite entangled. This is an example of a many-body `dark' state of the driven-dissipative dynamics and can be interpreted as a novel non-equilibrium magnetic phase of matter, where the spins are ordered in entangled clusters that decouple from the remainder of the chain.

In the case of atoms chirally coupled to nanophotonic waveguides, the observation of these pure steady states is challenging due to unwanted spontaneous emission outside the waveguide. Nevertheless, we also propose a purely atomic implementation to engineer the chiral coupling. Specifically, we consider a two-species mixture of cold atoms confined in a 1D geometry. One atomic species is trapped in an optical lattice and realizes the spin chain, while the other species forms a 1D quasi-BEC, such that its Bogoliubov excitations realize the waveguide modes. We show that by implementing synthetic spin-orbit coupling on the BEC atoms, the coupling between the two atomic species can be made chiral, allowing the formation of the pure steady states under realistic conditions.

In Part II of the thesis we propose a chiral quantum network model where two-level systems, representing the nodes, interact via directional emission into discrete waveguides, realized by spin chains or arrays of phononic vibrations. Although the waveguides are assumed finite, they behave as infinite reservoirs due to local losses engineered at its ends, which absorb any incoming excitation and thus mimic output ports. By including the dynamics of these finite spin or phonon waveguides on the same footing as the nodes, we account for the most important manifestations of non-markovianity in these quantum networks, namely, the retardation in the exchange of excitations between distant nodes and band-edge effects due to the non-linearity of the waveguide dispersion. In addition, we add driving to the nodes and characterize the influence of controlled non-Markovian effects and chirality on the transient driven-dissipative dynamics of the quantum network, as well as on the steady state. Due to the 1D character of the network, matrix product states (MPS) methods are efficient to represent the evolution. On the experimental side, we propose two setups for realizing this quantum network model. One implementation realizes a spin waveguide via Rydberg states in a chain of atoms, whereas the other implementation realizes a phonon waveguide via the localized vibrations of a string of trapped ions. For both implementations, we show how to engineer a chiral interaction by properly designing synthetic gauge fields in the couplings from nodes to waveguide.

In Part III of the thesis we propose a different type of engineered quantum system, which consists in a novel realization of cavity quantum electrodynamics (QED) with the mechanical vibrations of optomechanical systems. Structural two-level system defects, which are naturally found in the material of optomechanical devices, can couple via strain deformations to the mechanical vibrations of the structure. Using finite-element simulations, we show that the strong coupling regime between a single of these defects and the mechanical mode is within experimental reach for currently available optomechanical systems. In addition, we show that clear signatures of the strong phonon-defect hybridization can be observed via the optical output spectrum, which persist even at finite temperatures.