[論文レビュー] Quantum gate for Q switching in monolithic photonic bandgap cavities containing two-level atoms

Andrew D. Greentree, J. Salzman+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2005

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、可調式二準位原子を用いたモノリシック光バンドギャップキャビティにおけるQスイッチングのための固体状態量子ゲートを提案する。制御原子がゲートキャビティに存在し、共鳴結合によって波ガイドへの光子転送を制御する。この方式により、断熱的に原子遷移周波数を調整することで、変換制限された単一光子放出をオンデマンドで実現でき、残留状態人口は10⁻⁴にまで低下し、スイッチング時間は約1 nsに達する。

ABSTRACT

Photonic bandgap cavities are prime solid-state systems to investigate light-matter interactions in the strong coupling regime. However, as the cavity is defined by the geometry of the periodic dielectric pattern, cavity control in a monolithic structure can be problematic. Thus, either the state coherence is limited by the read-out channel, or in a high Q cavity, it is nearly decoupled from the external world, making measurement of the state extremely challenging. We present here a method for ameliorating these difficulties by using a coupled cavity arrangement, where one cavity acts as a switch for the other cavity, tuned by control of the atomic transition.

研究の動機と目的

• 強い結合が外部アクセスや測定を制限するモノリシック固体状態系における高Q光バンドギャップキャビティの制御という課題に応えること。
• 量子情報デバイスに適したスケーラブルで完全固体状態のオンデマンド単一光子生成ソリューションを開発すること。
• 機械的または熱的アクチュエータを用いずに、外部場による原子周波数調整のみでモノリシックPBGキャビティにおけるQスイッチングを実現すること。
• 窒素空孔中心を有するダイヤモンドベースの光誘導体結晶を用いた実用的で実験的に実現可能なアーキテクチャを示すこと。

提案手法

• 1つのキャビティをストレージキャビティ、もう1つを可調式ゲートキャビティとするカップリングキャビティ系を用いる。両キャビティにそれぞれ1つの二準位原子を含む。
• 光子のキャビティ間遷移は、遠方場結合によって媒介され、ゲートキャビティは波ガイドに結合して出耦合を可能にする。
• ゲートキャビティ内の原子遷移周波数は外部のスターリングシフトにより調整可能であり、共鳴条件の動的制御が可能となる。
• 原子周波数を断熱的に調整することで、ゲートキャビティをストレージキャビティと共鳴状態に持ち込み、波ガイドへの迅速な光子転送を誘発する。
• ハミルトニアンにラビ結合項と減衰率を含むモデルを用い、回転波近似のもとでダイナミクスを解く。
• 本方式は、光子損失が内在的キャビティ減衰ではなく、波ガイドへの hopping に支配される良好なキャビティ極限に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プロセス後制御による原子遷移周波数調整のみで、モノリシック光バンドギャップキャビティを効果的にQスイッチングできるか？
• RQ2 機械的または熱的アクチュエータを用いずに、固体状態キャビティ-QED系で高精度のオンデマンド単一光子放出を実現する方法は何か？
• RQ3 最小限の残留状態人口で効率的かつ断熱的な光子転送を達成するための結合定数および減衰パラメータは何か？
• RQ4 本方式は、窒素空孔中心を有するダイヤモンドのような実用的プラットフォームで実現可能か？

主な発見

• スイッチングされていない状態において、ストレージキャビティの残留状態人口は10⁻⁴にまで低下し、保持段階での漏れを最小限に抑える。
• 光子の放出は約1 nsで発生し、スイッチング時間は1/𝐽 ≈ 10⁻⁹ sに相当し、全スイッチング時間は2×10⁴π/Ωである。
• Ω = 10¹⁰ Hzの場合、δ ≤ 10¹² Hzの不整合を確保することで、κcq/δ ≤ 10⁻²を満たし、断熱条件を満たす。
• ストレージキャビティのQは約10⁵、ゲートキャビティのQは約10⁴であり、現在のプロセス技術で実現可能なダイヤモンドベースの光誘導体結晶で達成可能である。
• 実際のパラメータ下でもシステムは頑健であり、断熱性を緩和して不整合を増大させることで、低Q値でも概念実証が可能である。
• 窒素空孔中心を用いた本アーキテクチャは、実験的に実現可能であり、約10¹² Hzのスターリング調整範囲が、必要な調整ウィンドウを十分に超えている。