[논문 리뷰] A single ion coupled to an optical fiber cavity

Matthias Steiner, Hendrik-M. Meyer외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 31.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 모드 부피가 작은 230 µm 길이의 광섬유 공진기와 강하게 결합된 단일 Yb+ 이온이 코herent 결합 강도 g = 2π × 3.4 MHz를 달성하여 원자 전기 dipole 붕괴 속도 Γ를 초월함으로써, 공진기 양자전기역학에서 강한 결합 영역을 확인한다. 이 시스템은 마이크로제조된 광섬유 공진기를 사용하여 효율적인 이온-광자 상호작용을 가능하게 하여 확장 가능한 양자 네트워크를 실현한다.

ABSTRACT

We present the realization of a combined trapped-ion and optical cavity system, in which a single Yb^+ ion is confined by a micron-scale ion trap inside a 230 mum-long optical fiber cavity. We characterize the spatial ion-cavity coupling and measure the ion-cavity coupling strength using a cavity-stimulated Lambda-transition. Owing to the small mode volume of the fiber resonator, the coherent coupling strength between the ion and a single photon exceeds the natural decay rate of the dipole moment. This system can be integrated into ion-photon quantum networks and is a step towards cavity quantum-electrodynamics (cavity-QED) based quantum information processing with trapped ions.

연구 동기 및 목표

• 작고 통합된 시스템에서 단일 트랩된 이온과 단일 광자를 강하게 결합하는 것.
• 이전 트랩된 이온 실험에서 큰 공진기 모드 부피로 인해 약한 이온-공진기 결합을 극복하는 것.
• 이온 트랩 근처의 유전체 표면이 이온의 공명성 또는 안정성을 본질적으로 떨어뜨리지 않음을 입증하여 광학 구성 요소와의 통합 가능성을 확보하는 것.
• 마이크로섬유 공진기를 이용한 이온-광자 양자 인터페이스를 위한 확장 가능한 플랫폼을 실현하는 것.
• 공진기 자극된 Λ 전이를 통해 이온-공진기 결합 강도를 측정하고 강한 결합 영역을 확인하는 것.

제안 방법

• 단일 Yb+ 이온은 엔드캡 및 보완 전극을 갖춘 파울 트랩에 갇혀 있으며, 가열 속도는 (1.0 ± 0.1) K/s를 기록한다.
• 369 nm에서 S1/2–P1/2 전이로 냉각하고, 935 nm에서 D3/2–D[3/2]1/2 전이로 재펌프하여 S1/2 상태에 대한 인구를 유지한다.
• 모드 띠가 7 µm이고 모드 부피가 작은 230 µm 길이의 광섬유 공진기는 마이크로기계 가공된 반사성 코팅된 광섬유 끝을 이용해 제작된다.
• 공진기는 이온 트랩 축에 수직으로 정렬되며, 나노정렬 스테이지로 이온을 공진기 모드 내에 정렬한다.
• 297 nm 레이저와 진공 공진기 모드로 자극된 공진기 자극 Λ 전이에 의해 이온-공진기 결합 강도를 측정한다.
• 밀도 행렬에 대한 마스터 방정식을 사용하여 시스템을 모델링하고, 공진기 조건과 비공진기 조건에서 측정된 붕괴 시간 상수로부터 g를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모드 부피가 작은 섬유 기반 광섬유 공진기에서 단일 트랩된 이온이 단일 광자와 강하게 결합될 수 있는가?
• RQ2 섬유 공진기 내 이온 근처에 존재하는 유전체 표면이 이온의 공명성이나 안정성에 악영향을 미치는가?
• RQ3 작고 통합된 시스템에서 이온-공진기 결합 강도 g가 원자 전기 dipole 붕괴 속도 Γ를 초월할 수 있는가?
• RQ4 이온-공진기 결합의 공간적 의존성은 어떻게 되며, 이온은 공진기 모드 내에서 얼마나 정밀하게 국소화되어 있는가?
• RQ5 소산성 시스템에서 공진기 자극 Λ 전이를 통해 결합 강도를 신뢰성 있게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 이온-공진기 결합 강도는 g = 2π × (3.4 ± 0.2) MHz로, 원자 전기 dipole 붕괴 속도 Γ보다 거의 두 배 이상 초월한다.
• 공진기 조건이 공진일 경우 공진기 자극 Λ 전이의 측정된 시간 상수는 17.2 µs이며, 이격된 경우 34 µs이다.
• 40%의 정적파 대비 대비를 통해 140 nm의 공간 해상도로 이온이 공진기 모드 내에 국소화되어 있음을 확인한다.
• 단일 광자 라비 주파수 Ω297는 2π × (1.13 ± 0.02) MHz로 측정되었으며, 이는 공진기의 작은 입체각(δΩ = 4 × 10⁻⁴)과 일치한다.
• 공진기의 중간 정도의 품질 인자에도 불구하고 g > Γ를 달성함으로써, 작은 모드 부피가 강한 결합에 있어 주요 요인임을 입증한다.
• 결과는 실온에서 유전체 표면 근처에 안정적인 이온 트랩이 가능함을 확인하며, 광학 회로와의 통합 가능성을 제시한다.