Demonstrerer langsomt lys i rubidiumdamp ved hjælp af enkelte fotoner fra en fanget ion

Kvantnetværk kan praktisk talt implementeres til grænseflade med forskellige kvantesystemer. For fotonisk at forbinde hybridsystemer med kombinerede unikke egenskaber for hvert bestandssystem, forskere skal integrere kilder med den samme fotonemissionsbølgelængde. For eksempel, fangede ioner og neutrale atomer kan begge have overbevisende egenskaber som noder og erindringer inden for kvante netværk, men uden fotonisk forbindelse på grund af deres vidt forskellige driftsbølgelængder. I en nylig rapport om Videnskab fremskridt , J.D. Siverns og kolleger ved Joint Quantum Institute, Department of Physics og Army Research Laboratory i USA demonstrerede den første interaktion mellem neutrale atomer og fotoner udsendt fra en enkelt fanget ion.

For at opnå dette, de brugte Rubidium ( ⁸⁷ Rb) damp for at forsinke fotons oprindelse fra et fanget Barium ( ¹³⁸ Ba ⁺ ) ion med op til 13,5 ± 0,5 nanosekunder (ns). Forskerne brugte kvantefrekvenskonvertering (QFC) til at overvinde frekvensforskellen mellem ion og neutrale atomer under processen. De indstillede forsinkelsen og bevarede fotonernes tidsprofil og leverede resultaterne som en hybrid fotonisk grænseflade med applikationer som et synkroniseringsværktøj, der er kritisk for store kvantenetværk i fremtiden.

For at etablere skalerbare kvante netværk, fysikere skal integrere forskellige kvantekomponenter. Forskere havde tidligere forbundet fotoniske kvantesystemer til dannelse af hybridplatforme med enkeltatomer, Bose-Einstein kondenserer, solid state-systemer, atomdampe og atomensembler. Fremskridt i hybridnetværk er typisk fokuseret på tilfælde, hvor den native fotonbølgelængde for hvert system per definition er den samme, eller via direkte konstruktion af selve fotonkilden. I et praktisk netværk, sådanne strenge krav vil sandsynligvis ikke blive opfyldt, da fotoner udsendt fra eksisterende enheder inden for kvantekommunikationsteknologier varierer over et bredt foton spektrum. For at undgå spektral mismatch, forskere kan indføre kvantefrekvenskonvertering (QFC) for at konvertere en fotonfrekvens til en anden frekvens, samtidig med at dens kvanteegenskaber bevares. Et hybridsystem, der kombinerer de ønskelige egenskaber ved forskellige komponenter, kan hjælpe med at realisere et levedygtigt kvantenetværksværktøj.

Fangede ioner er stærke kandidater til kommunikationsknudepunkter på grund af deres lange qubit levetid samt højfidelitet ion-foton sammenfiltring. Neutrale atomer er alsidige kvantesystemer, der er nyttige som erindringer, fotonlagermedier eller til justerbar fotonforsinkelse ved at bremse lyset. Investering i designet, kontrol og udvikling af fanget ion og neutrale kvanteteknologier har givet bemærkelsesværdige fremskridt inden for kvantenetværk, computing, metrologi og simulering. Forskere bruger normalt neutrale atomdampe og magnetooptisk fangede atomer som medier med langsomt lys til lyspulser eller til enkeltfotoner. Sænkende lys for justerbare fotoniske forsinkelser er nyttig til foton -synkronisering for at implementere netværksprotokoller ved hjælp af fotonisk interferens. I det nuværende arbejde, Siverns et al. demonstreret den første vekselvirkning mellem neutrale atomer og fotoner udsendt af en ion ved at bremse fotoner genereret fra en enkelt fanget ion i en neutral atomdamp.

For at skabe et medium med lav gruppehastighed til langsom lysudbredelse inden for atomdampe, forskergruppen brugte fotoner med en frekvens mellem to absorptionsresonanser af et medium. De undersøgte de to absorptionsresonanser ved hjælp af elektromagnetisk induceret gennemsigtighed (EIT) eller fjern resonans. Siverns et al. brugte to D ₂ absorptionsresonanser etableret via hyperfin jordtilstandsopdeling af ⁸⁷ Rb med en mindre kompleks eksperimentel opsætning sammenlignet med EIT -metoder, som kun krævede enkelte fotoner med den korrekte frekvens. Forskerne udledte derefter gruppehastigheden af ​​fotoner udsendt fra Ba ⁺ ioner efter QFC (kvantefrekvensomdannelse). De indstillede fotonens optiske frekvens for at opnå et maksimum i transmission og stærkt reduceret gruppehastighed. Siverns et al. indstillede fotonforsinkelsen ved at ændre atomtaletætheden (N).

Som kilde til de 493 nm enkelte fotoner, forskergruppen brugte ¹³⁸ Ba ⁺ ioner, som de fangede ved at påføre spændinger på segmenterede blade, der er placeret i et ultrahøjt vakuumkammer. De indsamlede fotoner ved hjælp af en 0,4 numerisk blænde (NA) linse; fiber koblede dem og sendte dem til QFC -opsætningen. Forskergruppen koblede fotoner af en bestemt frekvens med en pumpelaser for at danne en anden frekvens nær 1343 nm, som de koblede til en periodisk poleret lithiumniobat (PPLN) bølgeleder til differensfrekvensgenerering (DFG). Efter frekvensindstilling af pumpelaseren, teamet producerede 780 nm fotoner med en frekvens mellem to optiske absorptionsresonanser for at implementere langsomt lys. Forskerne viste konverteringseffektiviteten af ​​PPLN -enheden som en funktion af pumpekraften koblet til bølgelederen.

Siverns et al. maksimerede signal-støj-forholdet (SNR) for det konverterede lys i stedet for at bruge den samlede mængde konverteret lys. De konverterede de 493 nm fotoner ved hjælp af DFG (differensfrekvensgenerering) for at justere pumpens optiske frekvens. Forskerne koblede output fra PPLN til en 800 nm single-mode fiber for at fange 780 nm fotoner og filtrerede rumligt de andre tilstande væk. Efter filtrering af fotoner, forskergruppen sendte dem gennem en 75 mm lang opvarmet glascelle fyldt med beriget ⁸⁷ Rb, som de opdagede ved hjælp af en lavinefotodiode (APD). Når fotoner passerede gennem rubidiumcellen ved stuetemperatur, deres absorption og spredning reducerede signal-støj-forholdet til ~ 6. For at måle den tidsmæssige form, de registrerede ankomsttiden for fotoner til APD, i forhold til 650-nm excitation akustisk-optisk modulator (AOM) og transistor-transistor logik (TTL) puls med en tidskorreleret, enkelt-foton tæller med en opløsning på 512 picosekunder (ps). Med øget atomdensitet af dampcellen, SNR faldt monotont til at nærme sig ~ 1 ved 395 K. På trods af lavere SNR, fotonforsinkelserne forblev klart synlige.

Forskergruppen bestemte fotonforsinkelsen ved midlertidigt at flytte hver forsinkede foton til at overlappe med en fotonform ved stuetemperatur. Forskerne noterede fotoner udsendt af Ba ⁺ ion og pumpelaserens drift for at påvirke stabiliteten af ​​de optiske frekvenser for de konverterede fotoner. De sigter mod at øge fotonforsinkelser og forbedre transmissionen ved at øge det ikke -lineære brydningsindeks i dampen ved hjælp af avancerede metoder som EIT (elektromagnetisk induceret gennemsigtighed) i fremtiden.

På denne måde, J.D. Siverns og kolleger demonstrerede de første vekselvirkninger af fotoner udsendt fra en fanget ion med et neutralt atomsystem. De bremsede eksperimentelt de frekvenskonverterede fotoner, der udsendes fra en fanget ion i en varm rubidiumdampcelle. Teamet observerede tunable forsinkelser på op til 13,5 ± 0,5 ns med ubetydelig temperaturdispersion af fotoner. Forskningsarbejdet muliggjorde et ideelt system til brug som en enhed til synkronisering af eksterne kvanteknudepunkter i et hybrid kvantennetværk.

Den nye tilgang vil tilbyde en vej mod fotoniske kvanteporte mellem fjerne ioner og neutrale atomer, hvor hvert system uafhængigt kan udsende fotoner af en sammenlignelig profil. Arbejdet vil også bane vejen for fremtidig kvantestatsoverførsel mellem ioner og neutrale atomer for at lette eksperimentelle, ion-neutralt atom fotonisk sammenfiltringsfordeling, og fotonisk lagring af flyvende qubits udsendt fra fangede ioner kombineret med eksisterende, avancerede atomteknologier.

© 2019 Science X Network