[論文レビュー] Probing the indistinguishability of single photons generated by Rydberg atomic ensembles

Auxiliadora Padrón-Brito, Jan Lowinski+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、Rydberg原子アンサンブルから生成される単一光子の区別不能性を、2つの励起プロトコル（非共鳴2光子励起（OR）とRydberg電磁誘導透過（EIT））を用いて調査した。HOM干渉を生成された光子と弱い連続状態（WCS）の間で行い、ORプロトコルでは小規模な検出ウィンドウにおいて最大98％の区別不能性を達成した。これはEITプロトコルよりも顕著に高く、量子ネットワーク用の高精度な光子量子ビットの実現を示している。

ABSTRACT

We investigate the indistinguishability of single photons retrieved from collective Rydberg excitations in cold atomic ensembles. The Rydberg spin waves are created either by off resonant two-photon excitation to the Rydberg state or by Rydberg electromagnetically induced transparency. To assess the indistinguishability of the generated single photons, we perform Hong-Ou-Mandel experiments between the single photons and weak coherent states of light. We analyze the indistinguishability of the single photons as a function of the detection window and for photons generated by off-resonant excitation we infer high value of indistinguishability going from 89% for the full waveform to 98% for small detection windows. In the same way, we also investigate for the first time the indistinguishability of single photons generated by Rydberg EIT, showing values lower than those corresponding to single photons generated by off-resonant excitation. These results are relevant for the use of Rydberg atoms as quantum network nodes.

研究の動機と目的

• Rydberg原子アンサンブルから生成される単一光子の区別不能性を、非共鳴2光子励起（OR）とRydberg電磁誘導透過（EIT）という2つの異なる励起メカニズムを用いて評価すること。
• 検出ウィンドウの長さを関数としての区別不能性の度合いを測定し、放出された光子の時間的波形全体の評価を可能にすること。
• リモートエンタングルメントや量子リピーターなどの量子ネットワーク応用に不可欠な、ORおよびEITプロトコルによる区別不能な単一光子の生成性能を比較すること。
• EITプロトコルにおける区別不能性の低下の主な要因を特定・分析すること、特に散乱によるデコherenceと光子汚染に関連する要因を対象とする。

提案手法

• 87Rb原子アンサンブルをダイポールトラップに冷却し、光学的深さ～6を確保し、|5S1/2, F=2⟩基底状態に準備した。
• 非共鳴2光子励起（OR）とRydberg EITを用いて、集団的Rydbergスピン波を生成した。2光子の周波数オフセットはほぼゼロに固定した。
• 50:50ビームスプリッタを用いて、Rydbergアンサンブルから放出された単一光子と弱い連続状態（WCS）パルスとの間でHong-Ou-Mandel（HOM）干渉を実行した。
• 検出ウィンドウのサイズを変化させながら、HOM可視度を測定した。可視度の式は V = 1 - p_ind / p_d であり、p_ind と p_d はそれぞれ区別不能な入力と区別可能な入力の同時検出確率を表す。
• 可視度から区別不能性係数 η を計算した。この際、単一光子検出確率、WCSの光子数、g(2)(0) を補正することで、区別不能性の影響のみを分離した。
• 2次自己相関関数 g(2)_Δt を分析し、異なる検出ウィンドウにおける光子統計と区別不能性を特徴づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非共鳴2光子励起（OR）を用いてRydberg原子アンサンブルから生成された単一光子の区別不能性はどの程度か？
• RQ2 Rydberg EITで生成された光子の区別不能性は、ORで生成された光子と比べてどう異なるか？
• RQ3 検出ウィンドウのサイズが測定された単一光子の区別不能性にどのように影響するか？
• RQ4 ORプロトコルと比較して、EITプロトコルにおける区別不能性の低下の主な要因は何か？
• RQ5 放出された光子の時間的波形全体を、顕著な区別不能性の損失を伴わず、量子干渉実験に効果的に応用できるか？

主な発見

• 非共鳴2光子励起（OR）プロトコルでは、単一光子の時間的波形全体に対して89％の区別不能性を達成した。可視度は検出ウィンドウと光子統計に制限されていた。
• 小規模な検出ウィンドウでは、ORプロトコルが最大98％の区別不能性を達成した。これは、放出された光子の高いコherenctと時間的品質を示している。
• Rydberg EITプロトコルでは、波形全体で72％、小規模ウィンドウでは87％の区別不能性を示した。これはORに比べて光子品質が劣化していることを示している。
• EITで生成された光子の区別不能性の低下は、散乱によるデコherenceと光子汚染の生成に起因しており、ORプロトコルではそれらが顕著に少ない。
• EITでは区別不能性が低くても、光子は波形全体にわたり高い区別不能性を維持しており、高可視度を要する量子通信プロトコルへの応用が可能であることを示している。
• 検出ウィンドウを光子波形全体を捉えるように拡大すると、有効な区別不能性が低下するが、最適化されたウィンドウ選択により、高精度干渉を要する応用に適している。