[論文レビュー] Enhancement of single-photon transistor by Stark-tuned F\"orster resonances

H. Gorniaczyk, Christoph Tresp+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、光子とラーゲル原子の間の有効相互作用を顕著に向上させるスターリング調整フォースター共鳴が、100を超える利得を示す1光子トランジスタの実現を可能にし、単一原子検出の忠実度が0.8以上、ラーゲルペア状態の高精度分光測定を可能にするとともに、トランジスタ作動後のゲート光子読み出しにおいて利得>2を達成することを示している。

ABSTRACT

Mapping the strong interaction between Rydberg atoms onto single photons via electromagnetically induced transparency enables manipulation of light on the single photon level and novel few-photon devices such as all-optical switches and transistors operated by individual photons. Here, we demonstrate experimentally that Stark-tuned Forster resonances can substantially increase this effective interaction between individual photons. This technique boosts the gain of a single-photon transistor to over 100, enhances the non-destructive detection of single Rydberg atoms to a fidelity beyond 0.8, and enables high precision spectroscopy on Rydberg pair states. On top, we achieve a gain larger than 2 with gate photon read-out after the transistor operation. Theory models for Rydberg polariton propagation on Forster resonance and for the projection of the stored spin-wave yield excellent agreement to our data and successfully identify the main decoherence mechanism of the Rydberg transistor, paving the way towards photonic quantum gates.

研究の動機と目的

• ラーゲル電磁誘導透過を用いて、1光子トランジスタにおける有効光子-光子相互作用を向上させること。
• 非破壊的単一ラーゲル原子検出の忠実度を0.8以上に向上させること。
• 共鳴結合を用いてラーゲルペア状態の高精度分光測定を可能とすること。
• トランジスタ作動後のゲート光子読み出しにおいて、測定可能な利得（>2）を達成すること。
• ラーゲルベースの光子量子ゲートにおける主なデコherence要因を特定し、緩和すること。

提案手法

• 異なる主量子数を有するラーゲル状態間のフォースター共鳴を誘発するために、スターリングチューニングを用いてラーゲル準位エネルギーをシフトすること。
• 電磁誘導透過（EIT）を用いて、ラーゲル極性子を介して強いラーゲル相互作用を1光子にマッピングすること。
• スピン波のストレージとその後のリードアウトを実装し、トランジスタ作動後の系の量子状態を投影すること。
• フォースター共鳴上でのラーゲル極性子の伝播を理論的モデル化し、実験データを解釈すること。
• ストレージされたスピン波の投影を用いて、高忠実度でトランジスタの出力状態に関する情報を抽出すること。
• フォースター共鳴条件に最適化するため、スターリングシフトを正確にキャリブレーションすること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スターリング調整フォースター共鳴は、1光子トランジスタにおける有効光子-光子相互作用を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 この共鳴強化技術を用いた1光子トランジスタで達成可能な最大利得は何か？
• RQ3 この手法により、単一ラーゲル原子検出の忠実度はどの程度向上するか？
• RQ4 強化された相互作用を用いて、ラーゲルペア状態の高精度分光測定が可能になるか？
• RQ5 ラーゲルトランジスタにおける主なデコherence要因は何か？そして、それを特定・緩和できるか？

主な発見

• スターリング調整フォースター共鳴のおかげで、1光子トランジスタの利得が100を超える。
• 非破壊的単一ラーゲル原子検出の忠実度が0.8以上に達する。
• 強化された相互作用のおかげで、ラーゲルペア状態の高精度分光測定が可能になる。
• トランジスタ作動後のゲート光子読み出しにおいて、利得が2を超える。
• フォースター共鳴上でのラーゲル極性子伝播の理論的モデルは、実験データと非常に良好に一致する。
• 実験的・理論的分析を統合することで、ラーゲルトランジスタにおける主なデコherence要因が明確に特定された。