[論文レビュー] A single ion coupled to an optical fiber cavity

Matthias Steiner, Hendrik-M. Meyer+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2012

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、モード体積が小さい230 µmの光ファイバーキャビティに強く結合されたYb+イオンが、原子ダイポール減衰率（Γ）を超えるコherent結合強度（g = 2π × 3.4 MHz）を達成し、キャビティ量子電磁力学における強い結合状態を確認した。この系はマイクロファブリケートドファイバーキャビティを用いて、スケーラブルな量子ネットワークのための効率的なイオン-光子相互作用を実現した。

ABSTRACT

We present the realization of a combined trapped-ion and optical cavity system, in which a single Yb^+ ion is confined by a micron-scale ion trap inside a 230 mum-long optical fiber cavity. We characterize the spatial ion-cavity coupling and measure the ion-cavity coupling strength using a cavity-stimulated Lambda-transition. Owing to the small mode volume of the fiber resonator, the coherent coupling strength between the ion and a single photon exceeds the natural decay rate of the dipole moment. This system can be integrated into ion-photon quantum networks and is a step towards cavity quantum-electrodynamics (cavity-QED) based quantum information processing with trapped ions.

研究の動機と目的

• コンパクトで統合可能なシステムにおいて、1つの捕獲イオンと1つの光子の間で強い結合を達成すること。
• 従来の捕獲イオン実験における大きなキャビティモード体積のための弱いイオン-キャビティ結合の課題を克服すること。
• イオントラップの周辺に誘電体表面が存在しても、イオンのコherenecが根本的に劣化しないことを示し、光子素子との統合を可能にすること。
• マイクロファイバーキャビティを用いて、イオン-光子量子インターフェースのスケーラブルなプラットフォームを実現すること。
• キャビティ励起Λ遷移を用いて、強い結合状態を確認するためのイオン-キャビティ結合強度を測定すること。

提案手法

• 1つのYb+イオンをエンドキャップ電極および補償電極を備えたポールトラップで捕獲し、加熱率を(1.0 ± 0.1) K/sに達成した。
• 369 nmのS1/2–P1/2遷移で冷却し、935 nmのD3/2–D[3/2]1/2遷移で再ポンプして、S1/2状態への状態分布を維持した。
• モードワーストが7 µmで、小さなモード体積を持つ230 µmの光ファイバーキャビティを、マイクロマニピュレーションされた反射性コーティングを施したファイバーエンドを用いて作製した。
• キャビティをイオントラップ軸に対して垂直に配置し、ナノステージを用いてイオンをキャビティモード内に位置決めした。
• 297 nmレーザーと真空中のキャビティモードを用いて、キャビティ励起Λ遷移を駆動し、イオン-キャビティ結合強度を測定した。
• 密度行列のマスターエンジンを用いて系をモデル化し、共鳴および非共鳴キャビティ条件下での測定された減衰時間定数からgを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モード体積が小さいファイバー基盤の光キャビティにおいて、1つの捕獲イオンが1つの光子と強く結合可能か？
• RQ2 ファイバーキャビティ内のイオンに近接する誘電体表面が、イオンのコherenecまたは安定性を損なうか？
• RQ3 コンパクトで統合可能なシステムにおいて、イオン-キャビティ結合強度gが原子ダイポール減衰率Γを超えるか？
• RQ4 イオン-キャビティ結合の空間依存性は何か？また、イオンはキャビティモード内にどの程度正確に局在化しているか？
• RQ5 散乱的系において、キャビティ励起Λ遷移を用いて結合強度を信頼性高く測定可能か？

主な発見

• 測定されたイオン-キャビティ結合強度はg = 2π × (3.4 ± 0.2) MHzであり、原子ダイポール減衰率Γをほぼ2倍上回った。
• キャビティが共鳴状態にあるときのキャビティ励起Λ遷移の時間定数は17.2 µsであったが、ずれた状態では34 µsに減少した。
• 40%の定在波対比から、イオンはモード内に140 nmの空間分解能で局在化していることが示された。
• 1つの光子Rabi周波数Ω297は2π × (1.13 ± 0.02) MHzに測定され、キャビティの小さな立体角（δΩ = 4 × 10⁻⁴）と整合的であった。
• 中程度のファインネスを示すキャビティでも、小さなモード体積が強い結合の主因であることが示され、g > Γを達成した。
• 室温下でも誘電体表面に近接した安定なイオントラップが可能であることが確認され、光回路との統合が可能であることが示された。