[論文レビュー] Stopped and stationary light at the single-photon level inside a hollow-core fiber

Thorsten Peters, Ta-Pang Wang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Quantum optics and atomic interactions参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、中空コア光ファイバー（HCPCF）に封入されたレーザー冷却 87Rb 原子を用いて、単一光子レベルの停止光および静止光を実証した。光物質結合の強化と偏光フィルタリングにより、信号対雑音比（SNR）59を達成した。電磁誘導透過（EIT）を活用し、二色性効果を低減することで、狭帯域パルスを用いた高効率な光の記録・再生と、単一光子レベルでの静止光を実現した。

ABSTRACT

An experimental platform operating at the level of individual quanta and providing strong light-matter coupling is a key requirement for quantum information processing. We report on narrowband light storage and retrieval as well as stationary light, based on electromagnetically induced transparency, for weak coherent light pulses down to the single-photon level with a signal-to-noise ratio of 59. The experiments were carried out with laser-cooled atoms loaded into a hollow-core photonic crystal fiber to provide strong light-matter coupling, thereby demonstrating the prospects for future quantum networks of such a platform.

研究の動機と目的

• スケーラブルなプラットフォームを用いて、単一光子レベルの光物質相互作用を実現し、量子情報処理を可能にすること。
• 波ガイド結合原子系において、バックグラウンド雑音および二色性の制限を克服し、高精度な量子メモリを実現すること。
• 狭帯域コherentパルスを用いて、中空コアファイバー上で単一光子レベルでの光の記録・再生（LSR）および静止光パルス（SLP）を実証すること。
• 構造的二色性が存在する中でも、偏光フィルタリング効率を維持したまま、高光学深さおよび強い光物質結合を実現すること。
• 冷たい原子を用いた中空コアファイバーで、低消費電力・低雑音動作を組み合わせた高効率量子メモリを実現し、将来的な量子ネットワークを実現すること。

提案手法

• 中空コア光ファイバー（HCPCF）に封入されたレーザー冷却 87Rb 原子系における電磁誘導透過（EIT）を用いる。
• より大きな遷移電気双極子モーメントを有する細分構造遷移を用いることで、必要な制御ビーム出力を低減し、共鳴外吸収を最小限に抑える。
• HCPCF内の線形二色性を定量化し、偏光状態を維持するとともに、偏光フィルタリングによるバックグラウンド抑制を有効に実現する。
• 測定ウィンドウ中にアダマール・シュリーディンガー効果（ac Stark シフト）を低減するため、250 kHz の急速な変調を施した遠共鳴トラップ（FORT）を適用するが、原子の閉じ込めを維持する。
• 200 µs の期間にわたり、1秒間に60回の平均化を実行する時間分解検出方式を採用し、単一光子カウンティングモジュール（SPCM）とデジタルオシロスコープを用いて透過光子を記録する。
• 原子なしの基準測定を用いてバックグラウンドを差し引くことで、レーザー漏れおよび散乱光子からの信号を分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波ガイド結合原子系において、単一光子レベルでの光の記録・再生（LSR）および静止光パルス（SLP）を達成できるか？
• RQ2 中空コア光ファイバーにおける二色性をどのように定量化・低減できるか？ また、偏光フィルタリング効率を維持できるか？
• RQ3 HCPCFを用いたプラットフォームにおいて、単一光子レベルのLSRおよびSLPの実現に達成可能な信号対雑音比（SNR）はどの程度か？
• RQ4 構造的二色性が存在する中でも、高光学深さおよび強い光物質結合を維持しながら、低消費電力・低雑音のEIT動作を実現できるか？
• RQ5 250 kHz の急速なFORT変調は、測定ウィンドウ内に原子損失を著しく引き起こさずに、ac Stark シフトをどの程度低減できるか？

主な発見

• 本プラットフォームは、単一光子レベルの光の記録・再生において、信号対雑音比（SNR）59を達成し、単一光子レベルでの安定した検出を可能にした。
• 原子ありでは1.1 × 10⁴ 光子/秒、原子なしでは0.7 × 10⁴ 光子/秒のバックグラウンド雑音にまで低減され、二色性が存在する中でも偏光フィルタリングによる効果的な抑制が実証された。
• 高光学深さ（d_opt ≲ 1000）を達成したHCPCFにより、量子メモリ用途に十分な測定効率を有する光の記録・再生が可能となった。
• より大きな遷移電気双極子モーメントを有する細分構造遷移の使用により、制御ビーム出力を低減でき、共鳴外吸収および不均一シフトを低減した。
• 250 kHz の急速なFORT変調により、2.5 µs の測定ウィンドウ中にac Stark シフトが抑制され、原子のコherencyが維持され、1回のローディングサイクルで最大50回の測定が可能になった。
• 実験的セットアップにより、静止光パルス（SLP）の生成と高精度な狭帯域光の記録が可能となり、量子ネットワークへの応用可能性が検証された。