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Scalable Spin Squeezing for Quantum-Enhanced Magnetometry with Bose-Einstein Condensates

Müssel, Wolfgang

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Abstract

In this thesis, we experimentally study the generation of metrologically useful spin squeezed states and investigate their scalability to large atom numbers. Two different experimental schemes that generate these entangled spin states are implemented for two internal states of a Bose-Einstein condensate. We investigate both the previously realized one-axis twisting scenario and a new method which relies on the quantum evolution at an unstable fixed point, which we term bifurcation squeezing. The temporal evolution and the atom number dependence of the final states are examined for both schemes, and the optimal conditions for the creation of squeezing are extracted. We find spin squeezing below -7 dB in this two-mode scenario. By use of parallelized squeezing generation of up to 30 independent condensates in a onedimensional lattice potential, we show that the squeezing of the individual condensates can be scaled up to the full ensemble containing more than 12300 atoms. With a differential analysis, which rejects common mode fluctuations, we find a suppression of fluctuations by -5.3(5) dB for the full ensemble. We directly demonstrate the applicability of this quantum resource for enhanced magnetometry, which is implemented via a modified Ramsey sequence. A transfer to a different set of hyperfine states ensures negligible nonlinearity during the interrogation time and strongly enhances the magnetic sensitivity. We find a quantum-enhanced single-shot sensitivity of 310(47) pT with the full ensemble, and apply the technique for an accurate determination of the magnetic field gradient in our setup.

Translation of abstract (German)

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung so genannter gequetschter verschränkter Zustände in einem Bose-Einstein-Kondensat und deren Skalierbarkeit zu großen Atomzahlen.Zunächst werden dabei zwei Herstellungsverfahren analysiert. Neben der bereits mehrfach eingesetzten 'one-axis twisting'-Methode untersuchen wir eine neuartige Technik, die auf der Quantendynamik an einem instabilen Fixpunkt beruht und als 'Bifurkations-Methode' bezeichnet wird. Wir analysieren die Zeitentwicklung sowie die Atomzahlabhängigkeiten der Prozesse in einem einzelnen Kondensat und finden unter optimalen Bedigungen eine Unterdrückung der Quantenfluktuationen von mehr als 7 dB. Durch parallele Herstellung gequetschter Zustände in bis zu 30 unabhängigen Kondensaten in einem optischen Gitter kann diese Rauschunterdrückung auf das gesamte Ensemble von mehr als 12300 Atomen übertragen werden. Eine Relativanalyse ergibt eine Reduktion der Fluktuationen von 5.3(5) dB für die hochskalierte Teilchenzahl. Die praktische Nutzbarkeit dieser Quantenressource demonstrieren wir, indem wir sie in einem quantenverstärkten Magnetometer einsetzen, das auf einer modifizierten Ramsey-Sequenz beruht. Hierbei wird durch einen Zustandstransfer während der Phasenevolutionszeit die magnetische Sensitivität erhöht und die nichtlineare Wechselwirkung stark reduziert. Dieses Magnetometer, das eine quantenmechanisch verbesserte Sensitivität von 310(47) pT pro Messpunkt besitzt, nutzen wir für die präzise Bestimmung eines Magnetfeldgradienten in unserem Experiment.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oberthaler, Prof. Dr. Markus
Date of thesis defense: 17 December 2014
Date Deposited: 16 Jan 2015 09:21
Date: 2014
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Kirchhoff Institute for Physics
Subjects: 530 Physics
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