Single-site addressing of ultracold atoms beyond the diffraction limit via position-dependent adiabatic passage

We propose a single-site addressing implementation based on the subwavelength localization via adiabatic passage (SLAP) technique. We consider a sample of ultracold neutral atoms loaded into a two-dimensional optical lattice with one atom per site. Each atom is modeled by a three-level Λ system in interaction with a pump and a Stokes laser pulse. Using a pump field with a node in its spatial profile, the atoms at all sites are transferred from one ground state of the system to the other via stimulated Raman adiabatic passage, except the one at the position of the node that remains in the initial ground state. This technique allows for the preparation, manipulation, and detection of atoms with a spatial resolution better than the diffraction limit, which either relaxes the requirements on the optical setup used or extends the achievable spatial resolution to lattice spacings smaller than accessible to date. In comparison to techniques based on coherent population trapping, SLAP gives a higher addressing resolution and has additional advantages such as robustness against parameter variations, coherence of the transfer process, and the absence of photon induced recoil. Additionally, the advantages of our proposal with respect to adiabatic spin-flip techniques are highlighted. Analytic expressions for the achievable addressing resolution and efficiency are derived and compared to numerical simulations for 87Rb atoms in state-of-the-art optical lattices

Two-color quantum memory in double-Λ media

We propose a quantum memory for a single-photon wave packet in a superposition of two different colors, i.e., two different frequency components, using the electromagnetically induced transparency technique in a double-Λ system. We examine a specific configuration in which the two frequency components are able to exchange energy through a four-wave mixing process as they propagate, so the state of the incident photon is recovered periodically at certain positions in the medium. We investigate the propagation dynamics as a function of the relative phase between the coupling beams and the input single-photon frequency components. Moreover, by considering time-dependent coupling beams, we numerically simulate the storage and retrieval of a two-frequency-component single-photon qubit

Effects of rapid gravity load changes on immunophenotyping and leukocyte function of human peripheral blood after parabolic flight

One of the biological systems that suffers a physiological de-conditioning in space is the immune system. It is in charge of defending the body against pathogens and other aggressions. The aim of this work is to assess if there are any relevant changes in the aggregation of erythrocytes, cell count, immunophenotyping and functionality after parabolic flight. This effect has been assessed ex vivo using human peripheral blood, which was drawn from the radial vein (n=6 healthy volunteers) and anticoagulated with heparin and EDTA. Blood samples were split into two aliquots and maintained in two identical thermally isolated boxes; one stayed on the ground whereas the other one was subjected to parabolic flight. The parabolic flight consisted of 15 parabolas performed with a Mudry CAP-10B acrobatic aircraft. Each parabola consists of 8 seconds of hypogravity preceded and followed by 2 seconds of hypergravity. Any of the biological parameters measured showed no statistically significant differences. Altered gravity could increase aggregation of red blood cells, as demonstrated by a decrease in the number of single cells after parabolic flight exposure. No counting changes in haemoglobin concentration were observed when comparing the two different groups. Furthermore, potential functional alterations of monocytes and neutrophils cannot be rejected. Although these possible changes could be associated with hypogravity, other factors such as hypergravity and acceleration or deceleration cannot be ruled out. Our findings indicate that, under this specific experimental setup, there was no significant alteration in leukocyte immunophenotyping and functional capacity when using ex vivo blood samples and short exposure to altered gravity.Peer ReviewedObjectius de Desenvolupament Sostenible::3 - Salut i BenestarPostprint (published version

From quantum memories to single-site addressing with three-level atoms

El camp de la informació quàntica, que sorgeix de la combinació entre la teoria de la informació i la física quàntica, ha experimentat un enorme progrés durant les darreres dècades, donant lloc a avenços revolucionaris en una àmplia varietat de camps interdisciplinaris, com ara la computació quàntica, la comunicació quàntica, els mesuraments d'alta precisió, i l’estudi fonamental de la teoria quàntica. No obstant això, les ambicioses metes en què la comunitat científica esta centrada, per exemple, la criptografia quàntica, els simuladors quàntics, o fins i tot la computació quàntica, tot just han començat a destacar.En la majoria d'aplicacions de la informació quàntica, per tal d’emmagatzemar i processar la informació s'utilitzen normalment sistemes amb un gran nombre d’àtoms, mentre que la llum s'utilitza com una eina per a manipular i realitzar operacions lògiques, així com per transmetre els bits quàntics entre nodes distants d'una xarxa quàntica. Per tant, la realització d'una interfície adequada entre la llum i els conjunts d’àtoms és essencial en la ciència de la informació quàntica. Quant a la interacció llum-matèria, un dels sistemes més rellevants són els àtoms de tres nivells en interacció amb un parell de camps electromagnètics. Els sistemes de tres nivells mostren una rica varietat de fenòmens quàntics a causa de les interferències produïdes degut a les dues vies d'absorció de la llum. Aquestes interferències quàntiques donen lloc, per exemple, a l’atrapament coherent de població, la transparència induïda electromagnèticament, o el passatge adiabàtic via estimulació Raman, que han trobat aplicacions en moltes àrees de la informació quàntica.Aquesta tesi, que recull el treball d'investigació que he realitzat durant el meu doctorat sota la guia i el suport dels meus supervisors i col•laboradors, se centra principalment en aplicacions de la informació quàntica amb àtoms de tres nivells en interacció amb camps electromagnètics, tant a nivell semi clàssic i com completament quàntic. Els tres primers capítols de l'obra es centren en l'estudi teòric de nous mètodes per implementar memòries quàntiques per qubits de fotons individuals en superposició de dues components, tant de la polarització com de la freqüència. Les memòries quàntiques són dispositius capaços d'emmagatzemar i recuperar a voluntat estats quàntics de la llum amb una alta eficiència i fidelitat, i són components essencials en moltes aplicacions de la informació quàntica, com ara en repetidors quàntics o en fonts de fotons individuals. Així, l'estudi de mètodes per emmagatzemar diferents tipus de codificació de la informació quàntica en fotons és una tasca essencial.D'altra banda, propostes addicionals en el context del processat d'informació quàntica, dutes a terme durant el meu doctorat, es recullen en els capítols finals. En particular, primer ens centrem en el problema de l’adreçament de llocs individuals per àtoms neutres ultra freds en xarxes òptiques amb un àtom per lloc. Aquesta proposta es du a terme mitjançant l'ús d'una tècnica de passatge adiabàtic selectiu segons la posició. A més, en segon lloc ampliem un model teòric capaç de proporcionar prediccions fiables sobre un experiment per a la producció de parells de fotons individuals, d’alta puresa i ample de banda controlat, utilitzant una configuració de conversió paramètrica espontània.Quantum information science, which emerges from the combination of information theory and quantum physics, has experienced an enormous progress during the last decades, leading to revolutionary advances in a wide range of interdisciplinary fields, such as quantum computation, quantum communication, high precision measurements, and fundamental quantum science. However, the ambitious goals at which the scientific community aim, e.g., quantum criptography, quantum simulators, or even quantum computation, have only started to stand out.In most quantum information applications, atomic ensembles are normally used to store and process the information, while light is used as a tool to manipulate and perform logical operations, as well as to transmit the quantum bits between distant nodes of a quantum network. Thus, the realization of a suitable quantum interface between light and atomic ensembles is essential in quantum information science. Regarding light-matter interaction, one of the most relevant systems are three-level atoms in interaction with a pair of electromagnetic fields. Three-level systems exhibit a rich variety of phenomena due to quantum interferences between the two absorption paths for the light. These quantum interferences lead, for instance, to coherent population trapping, electromagnetically induced transparency, or stimulated Raman adiabatic passage, which have found applications in many areas of quantum information. This thesis, which collects the research work that I have performed during my PhD under the guidance and support of my supervisors and collaborators, is mainly focused in quantum information applications using three level atoms in interaction with electromagnetic fields both at the semiclassical and fully quantum levels. The first three chapters of the work are focused on the theoretical study of novel methods to implement quantum memories for single photon qubits in superposition of two components, either polarization or frequency. Quantum memories are devices capable of storing and retrieving on demand quantum states of light with high efficiency and fidelity, and are essential components in many quantum information applications, such as quantum repeaters or single photon sources. Thus, the study of methods to store different kinds of quantum information encoding in photons is an essential task.Moreover, additional work in quantum information processing done during my PhD is collected in the final chapters. In particular, first we focus on the problem of single site addressing of ultracold neutral atoms in optical lattices with one atom per site, by using a position selective adiabatic passage technique. Next, we extend a theoretical model capable of providing reliable predictions for the production of controlled bandwidth and pure single photon pairs experiment, using a spontaneous parametric down-conversion setup

From quantum memories to single-site addressing with three-level atoms

El camp de la informació quàntica, que sorgeix de la combinació entre la teoria de la informació i la física quàntica, ha experimentat un enorme progrés durant les darreres dècades, donant lloc a avenços revolucionaris en una àmplia varietat de camps interdisciplinaris, com ara la computació quàntica, la comunicació quàntica, els mesuraments d'alta precisió, i l'estudi fonamental de la teoria quàntica. No obstant això, les ambicioses metes en què la comunitat científica esta centrada, per exemple, la criptografia quàntica, els simuladors quàntics, o fins i tot la computació quàntica, tot just han començat a destacar.En la majoria d'aplicacions de la informació quàntica, per tal d'emmagatzemar i processar la informació s'utilitzen normalment sistemes amb un gran nombre d'àtoms, mentre que la llum s'utilitza com una eina per a manipular i realitzar operacions lògiques, així com per transmetre els bits quàntics entre nodes distants d'una xarxa quàntica. Per tant, la realització d'una interfície adequada entre la llum i els conjunts d'àtoms és essencial en la ciència de la informació quàntica. Quant a la interacció llum-matèria, un dels sistemes més rellevants són els àtoms de tres nivells en interacció amb un parell de camps electromagnètics. Els sistemes de tres nivells mostren una rica varietat de fenòmens quàntics a causa de les interferències produïdes degut a les dues vies d'absorció de la llum. Aquestes interferències quàntiques donen lloc, per exemple, a l'atrapament coherent de població, la transparència induïda electromagnèticament, o el passatge adiabàtic via estimulació Raman, que han trobat aplicacions en moltes àrees de la informació quàntica.Aquesta tesi, que recull el treball d'investigació que he realitzat durant el meu doctorat sota la guia i el suport dels meus supervisors i col·laboradors, se centra principalment en aplicacions de la informació quàntica amb àtoms de tres nivells en interacció amb camps electromagnètics, tant a nivell semi clàssic i com completament quàntic. Els tres primers capítols de l'obra es centren en l'estudi teòric de nous mètodes per implementar memòries quàntiques per qubits de fotons individuals en superposició de dues components, tant de la polarització com de la freqüència. Les memòries quàntiques són dispositius capaços d'emmagatzemar i recuperar a voluntat estats quàntics de la llum amb una alta eficiència i fidelitat, i són components essencials en moltes aplicacions de la informació quàntica, com ara en repetidors quàntics o en fonts de fotons individuals. Així, l'estudi de mètodes per emmagatzemar diferents tipus de codificació de la informació quàntica en fotons és una tasca essencial.D'altra banda, propostes addicionals en el context del processat d'informació quàntica, dutes a terme durant el meu doctorat, es recullen en els capítols finals. En particular, primer ens centrem en el problema de l'adreçament de llocs individuals per àtoms neutres ultra freds en xarxes òptiques amb un àtom per lloc. Aquesta proposta es du a terme mitjançant l'ús d'una tècnica de passatge adiabàtic selectiu segons la posició. A més, en segon lloc ampliem un model teòric capaç de proporcionar prediccions fiables sobre un experiment per a la producció de parells de fotons individuals, d'alta puresa i ample de banda controlat, utilitzant una configuració de conversió paramètrica espontània.Quantum information science, which emerges from the combination of information theory and quantum physics, has experienced an enormous progress during the last decades, leading to revolutionary advances in a wide range of interdisciplinary fields, such as quantum computation, quantum communication, high precision measurements, and fundamental quantum science. However, the ambitious goals at which the scientific community aim, e.g., quantum criptography, quantum simulators, or even quantum computation, have only started to stand out.In most quantum information applications, atomic ensembles are normally used to store and process the information, while light is used as a tool to manipulate and perform logical operations, as well as to transmit the quantum bits between distant nodes of a quantum network. Thus, the realization of a suitable quantum interface between light and atomic ensembles is essential in quantum information science. Regarding light-matter interaction, one of the most relevant systems are three-level atoms in interaction with a pair of electromagnetic fields. Three-level systems exhibit a rich variety of phenomena due to quantum interferences between the two absorption paths for the light. These quantum interferences lead, for instance, to coherent population trapping, electromagnetically induced transparency, or stimulated Raman adiabatic passage, which have found applications in many areas of quantum information. This thesis, which collects the research work that I have performed during my PhD under the guidance and support of my supervisors and collaborators, is mainly focused in quantum information applications using three level atoms in interaction with electromagnetic fields both at the semiclassical and fully quantum levels. The first three chapters of the work are focused on the theoretical study of novel methods to implement quantum memories for single photon qubits in superposition of two components, either polarization or frequency. Quantum memories are devices capable of storing and retrieving on demand quantum states of light with high efficiency and fidelity, and are essential components in many quantum information applications, such as quantum repeaters or single photon sources. Thus, the study of methods to store different kinds of quantum information encoding in photons is an essential task.Moreover, additional work in quantum information processing done during my PhD is collected in the final chapters. In particular, first we focus on the problem of single site addressing of ultracold neutral atoms in optical lattices with one atom per site, by using a position selective adiabatic passage technique. Next, we extend a theoretical model capable of providing reliable predictions for the production of controlled bandwidth and pure single photon pairs experiment, using a spontaneous parametric down-conversion setup