論文の概要: Spin Correlations in Recirculating Multipass Alkali Cells for Advancing Quantum Magnetometry

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2506.14160v1
• Date: Tue, 17 Jun 2025 03:49:31 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-06-18 17:34:59.3175
• Title: Spin Correlations in Recirculating Multipass Alkali Cells for Advancing Quantum Magnetometry
• Title（参考訳）: 量子磁気量測定のための循環型マルチパスアルカリセルのスピン相関
• Authors: Qian Ling Kee, Lingyi Zhao, Ruvi Lecamwasam, Biveen Shajilal, Xinan Liang, Joel K Jose, Yao Chen, Ping Koy Lam, Tao Wang,
• Abstract要約: マルチパスセルは、様々な量子技術において重要な構成要素である。 光磁気計では、マルチパスジオメトリーによって光深度を増大させることで感度が向上する。 本稿では, アクティブ・ツー・セルの体積比を向上し, ビームスポットの重なりを最小化する, 新規な循環型多孔質アルカリセルを提案する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.60923435639633
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Multipass cells are critical components in a variety of quantum technologies, including atomic magnetometers and optical quantum memories, due to their ability to achieve long optical paths within compact volumes. In optical magnetometry, increasing the optical depth through multipass geometries enhances sensitivity by reducing photon shot noise and enabling quantum nondemolition (QND) detection. In this work, we present a novel recirculating multipass alkali cell that improves the active-to-cell volume ratio and minimizes beam spot overlap, thereby addressing spin noise limitations inherent in conventional cylindrical Herriott cavity designs. We develop and validate an analytical model based on the ABCD matrix method to predict beam spot positions, sizes, and astigmatism effects, with results confirmed through Zemax simulations. In addition, we introduce a general analytical model for analyzing spin correlation noise in multipass alkali cells, incorporating both astigmatism and spatial intensity distribution-features not addressed in existing models. By deriving the spin noise time-correlation function and spectrum, we reveal how power intensity profiles contribute to spin diffusion noise. Our analysis demonstrates that the recirculating cell offers improved beam coverage, reduced spot overlap, and enhanced spin correlation-particularly when using concave mirrors with longer focal lengths. Furthermore, we show that avoiding tightly focused, high-intensity regions can significantly suppress spin diffusion noise. These findings establish the recirculating cell design as a practical and high-performance solution for advancing the precision of atomic sensors and other multipass cavity-based quantum devices.
• Abstract（参考訳）: マルチパスセルは、コンパクトボリューム内で長い光路を達成できるため、原子磁気センサや光量子メモリなど、様々な量子技術において重要なコンポーネントである。 光磁気メソメトリーでは、光子ショットノイズを低減し、量子非劣化(QND)検出を可能にすることで、マルチパスジオメトリによる光深さの増大により感度が向上する。 本研究では, 従来の円筒型ヘリオットキャビティ設計に固有のスピンノイズ制限に対処するため, アクティブ・ツー・セル体積比を向上し, ビームスポットの重なりを最小化する新しい循環型多孔質アルカリセルを提案する。 ABCD行列法に基づく解析モデルの開発と評価を行い,Zemaxシミュレーションを用いてビームスポット位置, サイズ, アスティグマティズム効果の予測を行った。 さらに,マルチパスアルカリセルのスピン相関ノイズを解析するための一般的な解析モデルを導入し,既存のモデルでは対処できないアシグマティズムと空間強度分布の両特徴を取り入れた。 スピンノイズ時間相関関数とスペクトルを導出することにより、パワー強度分布がスピン拡散雑音にどのように寄与するかを明らかにする。 解析の結果, より長焦点長の凹面鏡を用いた場合, 再循環セルはビームカバレッジの向上, スポットオーバーラップの低減, スピン相関の強化を実現していることがわかった。 さらに, 高強度領域の集束を避けることで, スピン拡散ノイズを著しく抑制できることを示す。 これらの知見は、原子センサーや他のマルチパスキャビティベースの量子装置の精度を向上させるための実用的で高性能なソリューションとして、循環セル設計を確立している。

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