Nuclear spin squeezing in Helium-3 by continuous quantum nondemolition measurement

Compression de spin nucléaire dans l'hélium-3 par mesure quantique non destructive en continu

Alan Serafin (1) , Matteo Fadel (2) , Philipp Treutlein (2) , Alice Sinatra (1)

1 LKB (Lhomond) - Laboratoire Kastler Brossel
2 Unibas - Université de Bâle = University of Basel = Basel Universität

We propose a technique to control the macroscopic collective nuclear spin of a Helium-3 vapor in the quantum regime using light. The scheme relies on metastability exchange collisions to mediate interactions between optically accessible metastable states and the ground-state nuclear spin, giving rise to an effective nuclear spin-light quantum nondemolition interaction of the Faraday form. Our technique enables measurement-based quantum control of nuclear spins, such as the preparation of spin-squeezed states. This, combined with the day-long coherence time of nuclear spin states in Helium-3, opens the possibility for a number of applications in quantum technology.

Nous proposons une technique pour contrôler, au niveau des fluctuations quantiques, le spin nucléaire collectif macroscopique d'une vapeur d'Hélium-3 à l'aide de la lumière. Le schéma repose sur des collisions d'échange de métastabilité qui couplent un état métastable optiquement accessibles au spin nucléaire de l'état fondamental, ce qui donne lieu à une interaction effective entre le spin nucléaire et la lumière de la forme de Faraday. Notre technique permet un contrôle quantique basé sur la mesure des spins nucléaires, comme la préparation d'états comprimés en spin. Ceci, combiné au temps de cohérence d'une journée des états de spin nucléaire dans l'hélium-3, ouvre nombreuses possibilités d'application en technologie quantique.

Domaines: Physique Quantique [quant-ph]

Alan Serafin, Matteo Fadel, Philipp Treutlein, Alice Sinatra. Nuclear spin squeezing in Helium-3 by continuous quantum nondemolition measurement. 2020. ⟨hal-03058456v1⟩