[論文レビュー] Optical Nanofibers: a new platform for quantum optics

Pablo Solano, Jeffrey A. Grover+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 201被引用数 39

ひとこと要約

この論文は、極小モード閉じ込めと高い協同性により、単一原子でさえも強い原子-光子結合を実現できるため、光学的ナノファイバー（ONFs）を量子光学および量子情報処理の多様なプラットフォームとして確立している。ONFの効果的場は、低消費電力で効率的な分光測定、原子トラップ、スピン-軌道結合を介したキラル量子光学を可能にし、単一光子レベルでの高指向性な光子放出と隔離を実証している。

ABSTRACT

The development of optical nanofibers (ONF) and the study and control of their optical properties when coupling atoms to their electromagnetic modes has opened new possibilities for their use in quantum optics and quantum information science. These ONFs offer tight optical mode confinement (less than the wavelength of light) and diffraction-free propagation. The small cross section of the transverse field allows probing of linear and non-linear spectroscopic features of atoms with exquisitely low power. The cooperativity -- the figure of merit in many quantum optics and quantum information systems -- tends to be large even for a single atom in the mode of an ONF, as it is proportional to the ratio of the atomic cross section to the electromagnetic mode cross section. ONFs offer a natural bus for information and for inter-atomic coupling through the tightly-confined modes, which opens the possibility of one-dimensional many-body physics and interesting quantum interconnection applications. The presence of the ONF modifies the vacuum field, affecting the spontaneous emission rates of atoms in its vicinity. The high gradients in the radial intensity naturally provide the potential for trapping atoms around the ONF, allowing the creation of one-dimensional arrays of atoms. The same radial gradient in the transverse direction of the field is responsible for the existence of a large longitudinal component that introduces the possibility of spin-orbit coupling of the light and the atom, enabling the exploration of chiral quantum optics.

研究の動機と目的

• 光学的ナノファイバー（ONFs）を、スケーラブルで低損失な量子光学および量子情報処理のプラットフォームとして確立すること。
• 原子-ONF系において高い協同性と光学的深さを実現し、単一原子でも強い結合を可能にする。
• ONFにおける縦方向場成分とスピン-軌道結合を用いたキラル量子光学の探求と応用。
• ガイドモードを介して1次元配列の原子を形成し、多体量子物理学と長距離相互作用を実現すること。
• 原子-ONFインターフェースを用いた単一光子隔離器や光メモリなどの実用的応用の開発。

提案手法

• サブ波長径の光学的ナノファイバーの効果的場を用いて、周囲の原子と結合させ、強い原子-光子相互作用を実現する。
• 原子-光子結合の強さを定量化するための協同性パラメータ $ C_1 = \frac{g^2}{\kappa\gamma} $ を用い、単一原子に対しても $ C_1 > 1 $ を達成する。
• ONFモードの径方向強度勾配を活用して、冷却原子のダイポールトラップを形成し、安定した1次元配列を実現する。
• 高次モードと設計された波ガイドを用いて、光の偏光と指向性を制御し、キラルな光子放出を実現する。
• 分散分光法と透過測定を用いて、トラップされた原子における原子-場相互作用とコherenceを調べる。
• ONFsを高Qのマイクロレゾネーターと統合し、結合を強化し、EITや光メモリ応用のための単一原子との強い結合を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学的ナノファイバーは、単一原子で高い協同性と光学的深さをどのように達成し、量子光学における強い結合を可能にするのか？
• RQ2 縦方向電場成分は、キラル量子光学と指向性のある光子放出を実現するために果たす役割は何か？
• RQ3 ONFsはガイドモードを介して長距離でコherentな原子-原子相互作用をサポートできるか？また、そのコherence時間の制限要因は何か？
• RQ4 光のスピン-軌道結合をどのように活用して、原子-ONF系における光子放出の指向性を制御できるか？
• RQ5 ONFベースの量子インターフェースは、量子情報処理および通信分野において実用的限界と潜在的応用をどのように有するか？

主な発見

• 極端なモード閉じ込めにより、光学的ナノファイバーは最小限の光パワーで単一原子でも協同性 $ C_1 > 1 $ を達成し、強い結合を実現できる。
• ONFモードの径方向強度勾配が冷却原子の安定なダイポールトラップを提供し、高い空間制御性を有する1次元配列の形成を可能にする。
• ONF場の縦方向成分がスピン-軌道結合を引き起こし、キラル量子光学と光子の指向性放出を可能にする。
• 実験では、スピン-軌道結合を有するナノフォトニクス波ガイドを用いて、最大94％の指向性を達成し、単一光子隔離器の実現に寄与した。
• ONFを介した相互作用により、WGMマイクロレゾネーターへの強い結合を介して、高精度なEITと光メモリが単一原子で実現された。
• この系は、キラルなリザボアを持つ級列量子開放系を実現し、非マルコフ的ダイナミクスや量子輸送の研究における新たな道筋を開いた。