连续非破坏性量子测量核自旋压缩的理论研究

IF 1.3 4区 物理与天体物理 Q3 ASTRONOMY & ASTROPHYSICS
Alan Serafin, Y. Castin, Matteo Fadel, Philipp Treutlein, A. Sinatra
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摘要

我们建议利用基本氦- 3的核自旋与其环境的非常低的耦合来产生宏观的、寿命很长的量子态,在这种情况下,是常温电池气体中核自旋的压缩态。为了对预先极化的集体核自旋的横向分量进行非破坏性量子测量,我们暂时点燃气体中的放电,使氦3处于亚稳态。对应于元表$F=1/2$水平的集体自旋通过元表交换碰撞与基本面自旋轻微混合。为了获得核自旋的波动,必须连续测量光腔发出的光场,在光腔中,光场以色散的方式与亚稳态的集体自旋相互作用。模型中的一个公益三旋夫妇(metastable核,兼Stokes Primakoff lumiere)的近似,并为计量的布局,我们计算两个时刻建造部分集体核自旋的$ $ I_z纱的光学信号的观测时间平均的$ $ t。在光子计数模式中,我们发现压缩的可观测值是$I_z^2$而不是$I_z$。在homodyne检测模式中,我们解析求解了测量条件系统状态的随机方程;$I_z$的条件均值线性依赖于信号,$I_z$的条件方差不依赖于信号。等条件方差decroit元(sq Gamma_ {\ - rm) ^ {1}} t \ $ $,或者压缩率Gamma_ rm sq}{\ $明确,我们计算了甲a中,光在极坐标线材是低耦合atome-champ和饱和强耦合了该州metastabilite交流实际税率基本已成,metastables原子的密度。最后,我们考虑了亚稳态在壁上的去激发,这导致了核自旋的去相干,速率为$\gamma \alpha$。它对条件方差施加$\propto (\gamma_\alpha/\ gamma_ {rm sq})^{1/2}$的限制。
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Étude théorique de la compression de spin nucléaire par mesure quantique non destructive en continu
Nous proposons de tirer parti du tres faible couplage du spin nucleaire de l'helium 3 fondamental a son environnement pour produire des etats quantiques macroscopiques a tres longue duree de vie, ici des etats comprimes du spin nucleaire, dans un gaz en cellule a temperature ordinaire. Pour effectuer une mesure quantique non destructive sur une composante transverse du spin nucleaire collectif prealablement polarise, on allume temporairement une decharge dans le gaz, ce qui peuple l'etat metastable de l'helium 3. Le spin collectif correspondant au niveau $F=1/2$ des metastables s'hybride alors legerement avec celui des fondamentaux par collision d'echange de metastabilite. Il reste a mesurer en continu le champ lumineux sortant d'une cavite optique, ou il a interagi de maniere dispersive avec le spin collectif du metastable, pour acceder aux fluctuations du spin nucleaire. Dans un modele de trois spins collectifs couples (nucleaire, du metastable et de Stokes de la lumiere) dans l'approximation de Primakoff, et pour deux schemas de mesure, nous calculons les moments de la composante comprimee $I_z$ du spin nucleaire collectif conditionnes au signal optique moyenne sur le temps d'observation $t$. Dans le schema de comptage de photons, nous retrouvons que l'observable comprimee est $I_z^2$ plutot que $I_z$. Dans le schema de detection homodyne, nous resolvons analytiquement l'equation stochastique sur l'etat du systeme conditionne a la mesure ; la moyenne conditionnelle de $I_z$ depend lineairement du signal et la variance conditionnelle de $I_z$ n'en depend pas. La variance conditionnelle decroit comme $(\Gamma_{\rm sq}t)^{-1}$, ou le taux de compression $\Gamma_{\rm sq}$, que nous calculons explicitement, est lineaire en l'intensite lumineuse dans la cavite a faible couplage atome-champ et sature a fort couplage au taux effectif d'echange de metastabilite dans l'etat fondamental, proportionnel a la densite d'atomes metastables. Enfin, nous tenons compte de la desexcitation des metastables sur les parois, qui induit une decoherence du spin nucleaire avec un taux ramene $\gamma_\alpha$. Elle impose une limite $\propto (\gamma_\alpha/\Gamma_{\rm sq})^{1/2}$ sur la variance conditionnelle atteinte en un temps $\propto (\gamma_\alpha\Gamma_{\rm sq})^{-1/2}$.
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Comptes Rendus Physique
Comptes Rendus Physique 物理-天文与天体物理
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