[論文レビュー] Frequency tuning of a triply-resonant whispering-gallery mode resonator to MHz wide transitions for proposed quantum repeater schemes

Gerhard Schunk, Ulrich Vogl+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Photonic and Optical Devices被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、リチウムニオブ酸ガラスに作られた三重共振型ウィスピングギャラリー・モード共振器（WGMR）を、セシウムおよびルビジウム原子のD1遷移に正確に一致させるために連続的でMHzスケールの周波数チューニングを実現した。この技術により、量子リピーター応用に適した高効率な発信光子生成が可能になった。温度および誘電体基板のチューニングにより、帯域幅が1 MHz未塔の制御が可能であり、解析的モデルにより原子遷移帯域幅との整合性が確認され、発信光子と原子の結合は発信光子蛍光の実験的検証によって裏付けられた。

ABSTRACT

Quantum repeaters rely on an interfacing of flying qubits with quantum memories. The most common implementations include a narrowband single photon matched in bandwidth and central frequency to an atomic system. Previously, we demonstrated the compatibility of our versatile source of heralded single photons, which is based on parametric down-conversion in a triply-resonant whispering-gallery mode resonator, with alkaline transitions [Schunk et al., Optica 2, 773 (2015)]. In this paper, we analyze our source in terms of phase matching, available wavelength-tuning mechanisms, and applications to narrow-band atomic systems. We resonantly address the D1 transitions of cesium and rubidium with this optical parametric oscillator pumped above its oscillation threshold. Below threshold, the efficient coupling of single photons to atomic transitions heralded by single telecom-band photons is demonstrated. Finally, we present an accurate analytical description of our observations. Providing the demonstrated flexibility in connecting various atomic transitions with telecom wavelengths, we show a promising approach to realize an essential building block for quantum repeaters.

研究の動機と目的

• 量子メモリ統合を目的として、三重共振型ウィスピングギャラリー・モード共振器（WGMR）の周波数を精密にチューニングし、狭帯域の原子遷移に一致させること。
• 移動可能な誘電体基板と温度制御を用いて、連続的かつ1 MHz未塔のパラメトリック光子対の周波数チューニングを実証すること。
• 発信光子とセシウムおよびルビジウムのD1遷移との間の適合性を確立し、量子リピーター方式に不可欠な要件を満たすこと。
• 発信光子と原子蛍光の時間的相関に関する解析的モデルを提供し、システムのコherenと帯域幅適合性を検証すること。

提案手法

• 高Qファクター（10^7–10^9）と強いχ(2)非線形性を有するリチウムニオブ酸ガラスウェーパーから作られた三重共振型WGMRを用い、効率的なパラメトリック波長下変換（PDC）を実現する。
• 移動可能な誘電体基板によるエバネッセント場結合を採用し、光子対生成レートと帯域幅をチューニングすることで、連続的なMHzスケールの周波数チューニングを実現する。
• 特定のモード三重項を選択するための温度制御を適用し、数ナノメートルのスケールでステップワイズのチューニングを可能にし、さらに基板の変位による微調整を実施する。
• 温度と基板変位の併用により、ルビジウムおよびセシウムのD1遷移帯域幅にわたる連続的チューニングを実現する。
• マクスウェル方程式と崩壊プロセスの統計的独立性に基づき、共振器のリングダウン時間（t₁ = 7.4 ns）と原子励起状態寿命（t₂ = 37 ns）の指数分布を用いた理論的モデルを構築する。
• Klyshko効率形式を用いて発信光子効率を定量化し、結合、収集、検出損失を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リチウムニオブ酸ガラスに作られた三重共振型ウィスピングギャラリー・モード共振器（WGMR）は、セシウムおよびルビジウムのD1線のようなMHz帯域の原子遷移を連続的にチューニングできるか？
• RQ2 リチウムニオブ酸ガラスWGMRにおいて、温度および誘電体基板の変位を用いた周波数チューニング範囲と分解能はどの程度達成可能か？
• RQ3 実験的に観測された光子-原子相関が、独立した指数分布崩壊プロセスの解析的モデルとどの程度一致するか？
• RQ4 発信光子生成の忠実度は原子遷移帯域幅とどの程度一致し、自然原子帯域幅と比較してどの程度の性能を示すか？
• RQ5 システムにおけるKlyshko効率は、結合、収集、検出要因によってどの程度制限を受けるか？

主な発見

• 本システムは、自然に存在するCs D1線の自然帯域幅（4.58 MHz）と同等の安定性を有する連続的MHz帯域周波数チューニングを実現した。
• 測定された共振器リングダウン時間は7.4 ns（21.5 MHz帯域幅）であり、原子励起状態寿命は37 ns（4.3 MHz帯域幅）であり、いずれもCs D1線の自然帯域幅と整合的である。
• 原子蛍光からの発信光子は、イジール光子に対して8.4%、再放射されたシグナル光子に対して0.067%のKlyshko効率で正常に検出されたが、これは結合および収集効率の制限によるものである。
• 時間遅延相関関数P(Δt)の解析的モデルは実験データと良好に一致し、共振器および原子の崩壊プロセスに指数分布モデルが妥当であることを確認した。
• 本システムはルビジウムおよびセシウムのD1遷移と両方の適合性を示し、飛行量子ビットと原子量子メモリを接続するための柔軟なプラットフォームを提供した。
• 1750 nmにおける観測された最小光子帯域幅は約0.2 MHz（0.2 MHz FWHM）であり、リチウムニオブ酸ガラスの固有損失最小値と整合的であり、高忠実度の量子状態転送を可能にした。