碱金属原子自旋系综中的内部自旋控制、压缩与退相干

本论文研究了具有超精细自旋 $f$ 的冷囚禁碱金属原子大系综在与光场相互作用时的自旋压缩、纠缠和退相干。将每个原子的状态限制为嵌入 $2f+1$ 维超精细自旋中的量子三态（qutrit），使我们能够高效地模拟系综的相干和耗散动力学。该形式体系还允许我们探索局部控制对原子内部超精细自旋的影响。利用此类控制进行态制备，可增加 $f>1/2$ 时原子 - 光界面的纠缠能力。随后对内部自旋的控制可将纠缠转化为具有计量学意义的自旋压缩。在通过量子非破坏测量实现压缩的情况下，我们采用数值搜索来寻找在存在退相干时能最大化自旋压缩的态制备方案。我们系统中的耗散动力学包括由自发辐射引起的光泵浦效应。虽然大多数工作忽略光泵浦或仅对其进行唯象处理，但我们采用了从第一性原理推导出的主方程。本研究进一步扩展至原子系综与非均匀近轴探测光相互作用的情形。我们优化了系综和探测光的几何构型，以最大化空间模式匹配和自旋压缩。