使用捕获离子中的单个光子演示rub蒸气中的慢光

发布者:admin 发布时间:2019-10-30 10:21 浏览次数:

  量子网络可以实际实现与不同的量子系统对接。为了将混合系统与每个组成系统的独特特性进行光子链接,科学家必须集成具有相同光子发射波长的光源。例如,被俘获的离子和中性原子都可以作为量子网络中的节点和存储器具有引人注目的特性,但由于它们的工作波长差异很大,因此没有光子链接。在有关科学进步的最新报告中,美国联合量子研究所,物理系和陆军研究实验室的JD Siverns及其同事证明了中性原子与单个捕获离子发出的光子之间的首次相互作用。

  为此,他们使用Rub(87Rb)蒸气将被捕获的钡(138Ba+)离子的光子起源延迟最多13.50.5纳秒(ns)。研究人员使用量子频率转换(QFC)来克服过程中离子与中性原子之间的频率差异。他们调整了延迟并保留了光子的时间分布,并将结果作为一种混合光子接口进行了交付,并作为未来大规模量子网络的关键同步工具而得到了应用。

  为了建立可扩展的量子网络,物理学家必须整合不同的量子成分。研究人员以前将光子量子系统链接在一起,以形成具有单个原子,玻色-爱因斯坦凝聚物,固态系统,原子蒸气和原子团的混合平台。混合网络的进展通常集中在每个系统的自然光子波长根据定义或通过直接设计光子源本身而相同的情况下。在实际的网络中,由于量子通信技术中现有设备发出的光子在很宽的光子光谱范围内变化,因此不可能达到如此严格的要求。为了避免频谱失配,研究人员可以引入量子频率转换(QFC),以将光子的频率转换为另一个频率,同时保留其量子特性。结合了不同组件的理想功能的混合系统可以帮助实现可行的量子联网工具。

  被困的离子由于其较长的量子位寿命以及高保真的离子与光子的缠结而成为通信节点的理想候选者。中性原子是通用的量子系统,可用作存储器,光子存储介质或通过减慢光来调节光子延迟。在俘获离子和中性量子技术的设计,控制和开发方面的投资已在量子网络,计算,计量和模拟方面取得了显着进展。研究人员通常使用中性原子蒸气和磁光俘获原子作为光脉冲或单个光子的慢光介质。可调光子延迟的慢光对于光子同步以使用光子干涉实现网络协议很有用。在目前的工作中,Siverns等。通过减慢中性原子蒸气中单个被俘获离子产生的光子,证明了中性原子与离子发射的光子之间的首次相互作用。

  为了创建一种低群速度的介质以使光在原子蒸气中缓慢传播,研究小组使用了频率介于介质的两个吸收共振之间的光子。他们使用电磁感应透明性(EIT)或遥测共振研究了两种吸收共振。Siverns等。用2个d2吸收共振经由的超精细基态分裂建立87铷的较不复杂的实验装置相比EIT方法,其中仅在正确的频率要求的单光子。然后研究人员得出了Ba+发出的光子的群速度。QFC(量子频率转换)后的离子。他们调整了光子的光频率,以实现最大的传输并大大降低了群速度。Siverns等。通过更改原子序数密度(N)调整光子延迟。

  作为493 nm单光子的来源,研究小组使用了138Ba+离子,这些离子是通过对超高真空室内的分段叶片施加电压来捕获的。他们使用0.4数值孔径(NA)透镜收集光子;光纤耦合它们并将它们发送到QFC设置。该研究小组将特定频率的光子与泵浦激光器耦合,以形成接近1343 nm的不同频率,然后将它们耦合到周期性极化的铌酸锂(PPLN)波导中以产生差分频率(DFG)。对泵浦激光器进行频率调谐后,该团队产生了780 nm光子两个光学吸收共振之间的频率来实现慢光。科学家们证明了PPLN器件的转换效率是耦合到波导中的泵浦功率的函数。

  Siverns等。最大程度地提高了转换光的信噪比(SNR),而不是使用转换光的总量。他们使用DFG(差分频率生成)转换了493 nm光子,以调谐泵浦光频率。科学家将PPLN的输出耦合到800 nm单模光纤,以捕获780 nm光子,并在空间上滤除其他模。在对光子进行过滤后,研究小组将它们发送到装有富集了87Rb的75毫米长的加热玻璃池中,并使用雪崩光电二极管对其进行了检测。(APD)。当光子在室温下通过the电池时,它们的吸收和散射将信噪比降低至〜6。为了测量时间形状,他们记录了光子到达APD的时间,相对于具有时间相关的单光子的650 nm激发声光调制器(AOM)和晶体管晶体管逻辑(TTL)脉冲计数器的分辨率为512皮秒(ps)。随着蒸气室原子密度的增加,SNR在395 K时单调下降至〜1。尽管SNR较低,但光子延迟仍然清晰可见。

  研究团队通过在室温下暂时移动每个延迟的光子使其与光子形状重叠来确定光子延迟。科学家指出,Ba+离子发射的光子和泵浦激光器的漂移会影响转换后的光子光频率的稳定性。他们的目标是在未来使用先进的方法,例如EIT(电磁感应透明性),通过增加蒸气中的非线性折射率来增加光子延迟并改善传输。

  这样,JD Siverns及其同事证明了从捕获的离子发射的光子与中性原子系统的首次相互作用。他们从实验上放慢了从温rub蒸气池中被捕获的离子发射的频率转换光子的速度。研究小组观察到可调谐延迟高达13.50.5 ns,而光子的温度色散可忽略不计。研究工作促进了一种理想的系统,该系统可用作在混合量子网络中以可调谐方式同步远程量子节点的设备。

  新方法将提供一条通往远程离子与中性原子之间的光子量子门的途径,其中每个系统都可以独立发射具有可比轮廓的光子。这项工作还将为未来离子与中性原子之间的量子态转移铺平道路,以促进实验性,离子中性原子的光子纠缠分布,以及结合现有的先进原子技术从捕获的离子中释放出的飞行量子位的光子存储。


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