Precision engineering for ultra-cold atoms and space experiments

Abstract

Ultra-cold atom technologies promise significant improvements in the fields of sensing, communication, quantum simulation, and computation. In order to fully exploit their capabilities, many new technologies need to be developed. In this thesis I focus on three of them: precision engineering of the guiding potentials, precision engineering of the input state for the atom sensor, and ultra-stable and robust optical technologies for atom quantum space missions. These three main challenges of the field are investigated in this thesis. First, I explore the limits of excitationless transport of Bose-Einstein condensates (BECs) and thermal ultra-cold atomic ensembles in magnetic time-averaged potential (TAAP) ring- shaped waveguides by artificially introducing obstacles in the waveguide. We find that over a broad plateau no excitation occurs up to a threshold value of roughness, where an abrupt increase in the excitation of the atomic cloud is observed. I also present a robust and simple detection method, with only 1% error in the measurement of the atom number. This constitutes an improvement of about 10 in the precision of our experimental sequence. The method has potential as a minimally destructive measurement technique for the quantum state and the temperature of the ultra-cold cloud. Finally, a space-compatible optical fiber link was developed for atom quantum space missions. High coupling efficiency of the order of 94% and RMS fluctuations of less than 1% in the presence of 30K temperature fluctuations and vibrations were achieved. These demonstrations pave the way towards the realization of practical devices based on ultra-cold atoms. During the thesis, custom-made electronics and software was designed and implemented.

Οι υπερ-ψυχρές τεχνολογίες ατόμων υπόσχονται σημαντικές βελτιώσεις στους τομείς της ανίχνευσης, της επικοινωνίας, της κβαντικής προσομοίωσης και του υπολογισμού. Για να αξιοποιηθούν πλήρως οι δυνατότητές τους, πρέπει να αναπτυχθούν πολλές νέες τεχνολογίες. Σε αυτή τη διατριβή επικεντρώνομαι σε τρεις από αυτές: την μηχανική ακρίβειας των κυματοδηγών, την μηχανική ακριβείας της κατάστασης εισόδου του αισθητήρα και τις εξαιρετικά σταθερές και στιβαρές τεχνολογίες για διαστημικές αποστολές. Αυτές οι τρεις κύριες προκλήσεις του πεδίου διερευνώνται σε αυτήν την εργασία. Αρχικά, διερευνώ τα όρια της χωρίς διέγερση μεταφοράς συμπυκνωμάτων Bose-Einstein (BECs) και υπερ-ψυχρών ατομικών νεφών σε κυματοδηγούς μαγνητικού πεδίου (TAAP) με σχήμα δακτυλίου εισάγοντας τεχνητά εμπόδια. Παρατηρείται μια ευρεία περιοχή όπου δεν υπάρχει διέγερση μέχρι την τιμή ενός κατωφλίου, όπου παρατηρείται απότομη αύξηση της διέγερσης του ατομικού νέφους. Παρουσιάζω επίσης μια ακριβή και απλή μέθοδο ανίχνευσης, με μόνο σφάλμα 1% στη μέτρηση του αριθμού των ατόμων. Αυτό αποτελεί βελτίωση περίπου 10 φορές στην ακρίβεια της πειραματικής μας ακολουθίας. Η μέθοδος έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί ως ελάχιστα καταστρεπτική τεχνική μέτρησης για την κβαντική κατάσταση και τη θερμοκρασία του υπερ-ψυχρού νέφους. Τέλος, αναπτύχθηκε μια συμβατή με το διάστημα σύζευξη οπτικών ινών. Επιτεύχθηκε υψηλή απόδοση σύζευξης της τάξης του 94% και διακυμάνσεις μικρότερες από 1% παρουσία διακυμάνσεων στην θερμοκρασία και κραδασμών. Αυτές οι επιδείξεις ανοίγουν το δρόμο προς την πραγματοποίηση πρακτικών συσκευών που βασίζονται σε υπέρψυχρα νέφη. Στα πλαίσια της εργασίας σχεδιάστηκαν και δημιουργήθηκαν προσαρμοσμένες ηλεκτρονικές διατάξεις και λογισμικό.