Protected subspace Ramsey spectroscopy

We study a modified Ramsey spectroscopy technique employing slowly decaying states for quantum metrology applications using dense ensembles. While closely positioned atoms exhibit superradiant collective decay and dipole-dipole induced frequency shifts, recent results [Ostermann, Ritsch and Genes, Phys. Rev. Lett. \textbf{111}, 123601 (2013)] suggest the possibility to suppress such detrimental effects and achieve an even better scaling of the frequency sensitivity with interrogation time than for noninteracting particles. Here we present an in-depth analysis of this 'protected subspace Ramsey technique' using improved analytical modeling and numerical simulations including larger 3D samples. Surprisingly we find that using sub-radiant states of $N$ particles to encode the atomic coherence yields a scaling of the optimal sensitivity better than $1/\sqrt{N}$. Applied to ultracold atoms in 3D optical lattices we predict a precision beyond the single atom linewidth.Comment: 9 pages, 7 figure

Enhanced collective Purcell effect of coupled quantum emitter systems

Cavity-embedded quantum emitters show strong modifications of free space radiation properties such as an enhanced decay known as the Purcell effect. The central parameter is the cooperativity $C$, the ratio of the square of the coherent cavity coupling strength over the product of cavity and emitter decay rates. For a single emitter, $C$ is independent of the transition dipole moment and dictated by geometric cavity properties such as finesse and mode waist. In a recent work [Phys. Rev. Lett. 119, 093601 (2017)] we have shown that collective excitations in ensembles of dipole-dipole coupled quantum emitters show a disentanglement between the coherent coupling to the cavity mode and spontaneous free space decay. This leads to a strong enhancement of the cavity cooperativity around certain collective subradiant antiresonances. Here, we present a quantum Langevin equations approach aimed at providing results beyond the classical coupled dipoles model. We show that the subradiantly enhanced cooperativity imprints its effects onto the cavity output field quantum correlations while also strongly increasing the cavity-emitter system's collective Kerr nonlinear effect

Fine-Grain Interoperability of Scientific Workflows in Distributed Computing Infrastructures

Today there exist a wide variety of scientific workflow management systems, each designed to fulfill the needs of a certain scientific community. Unfortunately, once a workflow application has been designed in one particular system it becomes very hard to share it with users working with different systems. Portability of workflows and interoperability between current systems barely exists. In this work, we present the fine-grained interoperability solution proposed in the SHIWA European project that brings together four representative European workflow systems: ASKALON, MOTEUR, WS-PGRADE, and Triana. The proposed interoperability is realised at two levels of abstraction: abstract and concrete. At the abstract level, we propose a generic Interoperable Workflow Intermediate Representation (IWIR) that can be used as a common bridge for translating workflows between different languages independent of the underlying distributed computing infrastructure. At the concrete level, we propose a bundling technique that aggregates the abstract IWIR representation and concrete task representations to enable workflow instantiation, execution and scheduling. We illustrate case studies using two real-workflow applications designed in a native environment and then translated and executed by a foreign workflow system in a foreign distributed computing infrastructure. © 2013 Springer Science+Business Media Dordrecht

Collective dynamics and spectroscopy of coupled quantum emitters

Quantenemitter sind Systeme mit diskreten Energieniveaus, wie etwa Atome oder Moleküle, die eine nichtverschwindende Dipolkopplung an das elektromagnetische Feld aufweisen. Das elektromagnetische Feld wird seinerseits durch diese Kopplung modifiziert. Ein Emitter fühlt daher die Nähe anderer, sofern sich diese im selben Strahlungsfeld befinden. Dadurch ändert sich das Verhalten von Quantenemittern, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, drastisch, da sie sich wie ein kollektives Quantensystem verhalten. Daraus folgt, dass Strahlungsprozesse und Rauschen kollektiver Natur sind. Diese Tatsache muss in Betracht gezogen werden, um das volle physikalische Bild einer dichten Ansammlung von Quantenemittern einzufangen. Ein einschlägiges Beispiel von solchen Wechselwirkungen sind spontane Emissionsprozesse. Im Allgemeinen wird spontaner Zerfall eines angeregten Emitters durch Vakuumfluktuationen des elektromagnetischen Feldes hervorgerufen. In einem kompakten Ensemble von Emittern interferieren die abgestrahlten Felder allerdings miteinander. Dieser Interfernzeffekt führt zu modifizierten spontanen Zerfallsraten sowie energetischen Verschiebungen der Energieniveaus der Emitter. Einerseits kann konstruktive Interferenz eine substantielle Verringerung der Lebensdauer einer kollektiven Anregung verursachen -- ein Phänomen, welches gemeinhin als Superradianz bekannt ist. Andererseits kann ein Phasenunterschied zwischen nächsten Emittern zu destruktiver Interferenz der abgestrahlten Felder und somit zu einer Unterdrückung des spontanen Zerfalls führen. Ein detailliertes Verständnis dieses Effekts, den wir Subradianz nennen, erlaubt es uns, die Lebensdauer eines kollektiv angeregten Zustandes in großem Maße zu verlängern. Die Präparation eines solchen subradianten Zustandes ist nicht trivial und wird daher im Rahmen dieser Dissertation ausführlich behandelt. Es wird im Folgenden gezeigt, dass man mithilfe eines Magnetfeldgradienten die für die Reduktion der spontanen Emission erforderlichen Phasendifferenzen in einer Kette von Quantenemittern einführen kann. Weiters stellt sich heraus, dass die auf diese Weise erzielten Zustände ein hohes Maß an Verschränkung aufweisen und diese ebenfalls robust gegenüber spontanem Zerfall ist. Im Allgemeinen muss kollektive Dekohärenz allerdings nicht von den vom Vakuumfeld vermittelten Wechselwirkungen stammen. Bei Laserspektroskopie wird ein Ensemble von Quantenemittern von einem Laser adressiert, welcher unweigerlich jedwede Fluktuationen seiner Phase oder Amplitude auf die Emitter überträgt, was folglich zu Effekten wie Dephasierung führt. Wir untersuchen die Wirkung von solch kollektivem Laserrauschen und mögliche Arten es zu vermeiden im Zusammenhang mit quantenmetrologischen Anwendungen. Unter Verwendung eines optischen Resonators ist es möglich kohärente Licht-Materie-Wechselwirkungen bei der Adressierung eines Ensembles bestehend aus Quantenemittern zu verstärken. Koppelt man Dipol-Dipol-wechselwirkende Quantenemitter an eine einzelne, resonante Mode, so ist es möglich die kollektiven Resonanzen und deren modifizierte Linienbreiten und Energien im Transmissionsspektrum des Resonatorfeldes zu beobachten. Selektiert man mittels des Modenprofils des Resonators subradiante Zustände, können diese Resonanzlinien extrem schmal sein und einen signifikanten Phasenversatz des transmittierten Feldes mit sich bringen. Diese Phänomene lassen sich als eine natürliche Konsequenz von verstärkten Licht-Materie Wechselwirkungen verstehen, da ein kollektiver, subradianter Dipol bevorzugt in den optischen Resonator strahlt, anstatt in den freien Raum. Dipol-Dipol-Wechselwirkung wird bei einer Separation zwischen Emittern auf der Nanoskala in großem Maße verstärkt. Zusätzlich zeigen Ringe bestehend aus Quantenemittern geführte Quasimoden, ähnlich wie in optischen Fasern. Kombiniert man diese beiden Tatsachen, führt das zur Untersuchung von Nano-Ringen von Quantenemittern. Es wird gezeigt, dass die spontane Emission eines einzelnen Rings exponentiell mit dessen Größe abnimmt und aus Folge daraus praktisch verlustloser Transport von Anregungen zwischen zwei benachbarten Ringen stattfinden kann. Die Methoden, welche in den wissenschaftlichen Untersuchungen in dieser Dissertation Anwendung finden, beinhalten sowohl analytische wie auch numerische Verfahren. Der Aufwand für Letztere lässt sich zu einem großen Teil verringern, indem man sich ein dediziertes Framework in Form einer Toolbox zunutze macht, die vordefinierte Funktionen speziell für die numerische Simulation von offenen Quantensystemen beinhaltet. Eine Toolbox dieser Art, die vom Autor dieser Arbeit weiterentwickelt wurde, wird im Folgenden präsentiert und ist in der Programmiersprache Julia verfasst, sodass sie sowohl einfache Nutzbarkeit als auch Effizienz bietet.Quantum emitters are systems with discrete energy levels, such as atoms or molecules, which exhibit a nonvanishing dipole coupling to the electromagnetic field. The electromagnetic field is in turn modified by this coupling. One quantum emitter therefore feels the presence of others in a common radiation field. The behavior of multiple emitters placed close to one another thus changes drastically as they begin to act as a collective. Consequently, radiative processes and noise are of collective nature as well. This fact has to be taken into account in order to capture the full physical picture of a dense ensemble of quantum emitters. A striking example for these interactions is spontaneous emission: The spontaneous decay of an excited emitter is induced by vacuum fluctuations of the electromagnetic field. In a compact collection of emitters, though, the radiated fields interfere with one another. This interference effect leads to modified spontaneous emission rates as well as energetic shifts of the emitters' energy levels. On the one hand, constructive interference can cause a substantial decrease in the lifetime of a collective excitation -- a phenomenon known as superradiance. On the other hand, imprinting a certain phase difference between the emitters can lead to destructive interference of the radiated fields thereby inhibiting the spontaneous decay. Understanding the details behind this effect, which we call subradiance, enables us to greatly extend the lifetime of collectively excited states. The preparation of subradiant states is not trivial and is investigated at length within the scope of this thesis. We show that, employing a magnetic field gradient, the phase differences required to suppress spontaneous emission are introduced in chains of quantum emitters. Furthermore, it turns out that the states prepared in this way feature high quantum correlations that are also robust. More generally, collective decoherence can not only stem from the vacuum-mediated interactions. In laser spectroscopy, an ensemble of quantum emitters is addressed by a laser, which exhibits noise due to its fluctuating phase and amplitude. This noise is inevitably imprinted on the quantum emitters subsequently leading to effects such as dephasing. We investigate collective laser noise and ways to circumvent it in quantum metrological applications. It is possible to use an optical cavity in order to enhance coherent light-matter interactions when addressing an ensemble of quantum emitters. Coupling dipole-dipole interacting quantum emitters to a single resonant mode enables us to observe the collective resonances featuring the modified linewidths and energies in the transmission spectrum of the cavity. Selecting subradiant states via the cavity mode profile, these resonance lines can be extremely narrow and entail a significant phase shift of the transmitted field. All those phenomena can be understood as a consequence of largely increased light-matter interactions due to the collective subradiant dipole preferentially radiating into the cavity instead of the surrounding free space. The dipole-dipole interactions between emitters are greatly enhanced at nanoscale separations. In addition, quantum emitters forming rings display guided quasi-modes reminiscent of optical fibers. Combining these two facts, we investigate the properties of nanorings. It is shown that the spontaneous decay of a single ring decreases exponentially with its size. Consequently, almost lossless transport of excitations between two neighboring rings can occur. The methods used to conduct the research presented in this thesis involve analytical, but also numerical techniques. The effort to implement the latter can be largely reduced by the use of a dedicated framework in the form of a toolbox, which contains predefined sets of functions specifically tailored towards the numerical simulation of open quantum systems. Such a toolbox, which was developed further by the author of this thesis, is presented in the following. It is built in the Julia programming language offering usability as well as performance.von David Plankensteiner, M.Sc.Kumulative Dissertation aus sechs ArtikelnZusammenfassung in deutscher SpracheUniversität Innsbruck, Dissertation, 2019(VLID)359792