Toward dispersive readout of an optical lattice: design and implementation of an optical cavity

Optical lattices of ultracold atoms are a powerful platform for quantum simulation because their properties can be precisely tuned. In quantum simulations, the process follows three steps: preparing an initial state, allowing the system to evolve, and measuring the final state. Nondestructive measurements are essential to assess the fidelity of the initial state preparation and to read out quantum information from the final state without altering it. Nondestructive detection is often based on off-resonant probing, namely dispersive probing. In free space, the weakness of the light-atom interaction limits the sensitivity. This is particularly relevant in systems like optical lattices, which feature a limited number of atoms. Optical cavities overcome this limitation by enhancing the interaction strength through multiple light passes. The experimental work described here is about the design, realization, and characterization of a bow-tie optical cavity. We engineered the cavity to enhance dispersive signals from an optical lattice of trapped cesium atoms. The cavity is intended for integration with the Light and Atoms Quantum Simulator (LAQS) at the Niels Bohr Institute (NBI) in Copenhagen. We assembled the cavity to be resonant with the cesium D2 line at a wavelength of 852 nm. We measured the optical losses introduced by the vacuum glass cell that houses the atoms, producing 0.04%. We characterized the finesse of the cavity using the ring-down technique, measuring approximately 70. Finally, a preliminary absorption measurement confirmed the cavity’s ability to enhance atomic signals, suggesting that it can be successfully used in future nondestructive measurements. The long-term goal is to perform dispersive measurements of the collective spin state of the atomic lattice using the 852 nm beam of NBI's entangled photon source. Since the second entangled arm of the source is operating at 1064 nm in the telecom range, this approach would allow future quantum network applications built on atom-photon interfaces.

Gli atomi freddi in reticoli ottici costituiscono una piattaforma estremamente versatile per le simulazioni quantistiche. Queste simulazioni si articolano in tre fasi: preparazione dello stato iniziale, evoluzione del sistema e misura dello stato finale. In questo contesto, le misure non distruttive rivestono un ruolo cruciale, sia per valutare l’accuratezza della preparazione dello stato iniziale, sia per estrarre informazioni mantenendo inalterate le proprietà quantistiche del sistema. Una tecnica diffusa è il probing dispersivo fuori risonanza, la cui efficacia è però limitata in spazio libero dalla debole interazione luce-atomo, particolarmente nei sistemi con un numero ridotto di atomi. Le cavità ottiche superano questo limite amplificando l’interazione mediante passaggi multipli della luce. In questo lavoro presentiamo la progettazione, realizzazione e caratterizzazione di una cavità ottica bow-tie, pensata per l’integrazione con il simulatore quantistico del laboratorio Light and Atoms Quantum Simulator(LAQS) del Niels Bohr Institute. La cavitá é stata costruita perché fosse risonante con la linea D2 del cesio a 852 nm. Si sono misurate le perdite ottiche introdotte dalla cella a vuoto contenente gli atomi, e sono risultate pari a circa lo 0,04%. La finesse, misurata tramite tecnica di ringdown, è di circa 70. Infine, una misura preliminare di assorbimento ha mostrato chiaramente l’efficacia della cavità nell’amplificare i segnali ottici associati alla presenza degli atomi, confermando così il suo potenziale utilizzo per future misure non distruttive. L’obiettivo a lungo termine è effettuare misure dispersive dello stato di spin collettivo degli atomi utilizzando il fascio a 852 nm della sorgente di fotoni entangled del NBI. Poiché il secondo fascio entangled opera nella banda telecom, a 1064 nm, questa configurazione apre prospettive per reti quantistiche basate su interfacce atomo-fotone.