Precision of cavity-enhanced optical rotation measurements

The signal to noise ratio in atomic magnetometry is fundamentally limited by the optical depth of the atomic ensemble. During the last decade, different technics for optical depth enhancement has been developed by several groups, some of them involving the implementation of an optical cavity. This thesis evaluates the performance of such an implementation by the polarization read out noise analysis of an optical cavity with similar characteristics as the already implemented by other groups. We obtained an estimated value for the signal to noise ratio enhancement with a cavity of 814 Finesse, and we studied the behaviour of the different sources of polarization noise in this system

Reducción de la Decoherencia Cuántica en Fotónica Integrada

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física de Materiales. Fecha de Lectura: 24-03-2023La fotónica cuántica integrada es un elemento indispensable para para la miniaturización, estabilización y escalabilidad de las tecnologías cuánticas. El desarrollo de circuitos fotónicos integrados para aplicación en tecnologías cuánticas ayudará a traspasar el cuello de botella hacia niveles superiores de disponibilidad tecnológica y comercialización. La decoherencia cuántica supone uno de los retos técnicos a nivel fundamental con mayor relevancia para la realización de este desarrollo. En este contexto, el objetivo de este proyecto ha sido el de proporcionar herramientas teóricas para orientar la conceptualización y el diseño de los bloques fundamentales de los circuitos cuánticos integrados con vistas a la reducción de la decoherencia cuántica en estos sistemas. Los resultados obtenidos en forma de modelos teóricos, métodos numéricos de simulación y esquemas de optimización facilitan estas herramientas a través una serie de nuevos instrumentos matemáticos que sirven tanto para la caracterización de la decoherencia en diferentes componentes como para guías de diseño para su reducción: Expresiones analíticas que relacionan directamente los parámetros de diseño de estructuras fotónicas con el grado de decoherencia de la plataforma; Modelos para la simulación numérica de emisores cuánticos integrados en estructuras fotónicas que conectan la variación de los parámetros del diseño con el impacto en las figuras de mérito que caracterizan la decoherencia; Esquemas de optimización basados en métodos de Machine Learning para estructuras de fotónica cuántica integrada que ofrecen una reducción sin precedentes en términos de consumo de recursos computacionales; Interpretaciones físicas de las soluciones de los modelos desarrollados que contribuyen al avance del conocimiento del comportamiento de componentes de circuito en diferentes condiciones. El aparato matemático desarrollado ha sido evaluado a través de su aplicación en diferentes casos prácticos validando su fiabilidad y demostrando resultados prometedores: Identificación de los valores de los parámetros de diseño necesarios para la maximización de la indistinguibilidad y la eficiencia de extracción en emisores cuánticos acoplados a guías de onda dependiendo de las características del emisor, estimando incrementos en la indistinguibilidad de hasta un 30% para diseños optimizados; Optimización del diseño de una cavidad óptica para integración en chip de emisores cuánticos que garantiza valores de indistinguibilidad y eficiencia de extracción cercanos a la unidad con emisores fuertemente disipativos a temperatura ambiente; Relajación de los requisitos técnicos generales para cavidades ópticas a partir de una nueva plataforma propuesta basada en la integración de clústeres de emisores cuánticos acoplados que garantiza indistinguibilidad perfecta con emisores fuertemente disipativos a temperatura ambiente para las configuraciones óptimas. Esperamos que los resultados obtenidos en esta disertación contribuyan al avance del conocimiento para el desarrollo de la fotónica cuántica integrada y sirvan de hoja de ruta para la realización de nuevas demostraciones experimentales que incrementen su impacto en el estado del arte de las tecnologías cuántica

Enhancement of the indistinguishability of single photon emitters coupled to photonic waveguides

One of the main steps towards large-scale quantum photonics consists of the integration of single photon sources (SPS) with photonic integrated circuits (PICs). For that purpose, the PICs should offer an efficient light coupling and a high preservation of the indistinguishability of photons. Therefore, optimization of the indistinguishability through waveguide design is especially relevant. In this work we have developed an analytical model to calculate the coupling and the indistinguishability of an ideal point-source quantum emitter coupled to a photonic waveguide depending on source orientation and position. The model has been numerically evaluated through finite-difference time-domain (FDTD) simulations showing consistent results. The maximum coupling is achieved when the emitter is embedded in the center of the waveguide but somewhat surprisingly the maximum indistinguishability appears when the emitter is placed at the edge of the waveguide where the electric field is stronger due to the surface discontinuity