[논문 리뷰] Enhancement of single-photon transistor by Stark-tuned F\"orster resonances

H. Gorniaczyk, Christoph Tresp외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 30.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 광자 기반 양자 장치에서 단일 광자와 라이드버그 원자 간의 효과적인 상호작용을 크게 향상시키는 스타크 조절을 통해 포르스터 공명을 이용한 것을 입증한다. 이는 이득이 100을 초과하고, 단일 원자 탐지의 정밀도가 0.8 이상이며, 라이드버그 이중 상태의 고정밀 분광 측정이 가능하게 하며, 게이트 광자 읽기의 이득이 2를 초과하는 단일 광자 트랜지스터를 실현한다.

ABSTRACT

Mapping the strong interaction between Rydberg atoms onto single photons via electromagnetically induced transparency enables manipulation of light on the single photon level and novel few-photon devices such as all-optical switches and transistors operated by individual photons. Here, we demonstrate experimentally that Stark-tuned Forster resonances can substantially increase this effective interaction between individual photons. This technique boosts the gain of a single-photon transistor to over 100, enhances the non-destructive detection of single Rydberg atoms to a fidelity beyond 0.8, and enables high precision spectroscopy on Rydberg pair states. On top, we achieve a gain larger than 2 with gate photon read-out after the transistor operation. Theory models for Rydberg polariton propagation on Forster resonance and for the projection of the stored spin-wave yield excellent agreement to our data and successfully identify the main decoherence mechanism of the Rydberg transistor, paving the way towards photonic quantum gates.

연구 동기 및 목표

• 라이드버그 전자기 유도 투과성을 이용하여 단일 광자 트랜지스터에서 효과적인 광자-광자 상호작용을 향상시키기.
• 비파괴적 단일 라이드버그 원자 탐지의 정밀도를 0.8 이상으로 향상시키기.
• 공명 결합을 통해 라이드버그 이중 상태의 고정밀 분광 측정을 가능하게 하기.
• 트랜지스터 작동 후 게이트 광자 읽기에서 측정 가능한 출력 이득(>2)을 달성하기.
• 라이드버그 기반 광자 양자 게이트에서 주요 디코herence 메커니즘을 규명하고 이를 완화하기.

제안 방법

• 다른 주 양자수를 가진 라이드버그 상태 간의 포르스터 공명을 유도하기 위해 스타크 조절을 통해 라이드버그 상태 에너지를 이동시키기.
• 강한 라이드버그 상호작용을 라이드버그 폴라리톤을 통해 단일 광자에 맵핑하기 위해 전자기 유도 투과성(EIT)을 구현하기.
• 트랜지스터 작동 후 시스템의 양자 상태를 투사하기 위해 스핀파 저장 및 이후 읽기 방법을 적용하기.
• 실험 데이터를 해석하기 위해 포르스터 공명 상에서 라이드버그 폴라리톤의 전파를 이론적으로 모델링하기.
• 저장된 스핀파의 투사 방법을 통해 높은 정밀도로 트랜지스터의 출력 상태 정보를 추출하기.
• 최적의 광자 상호작용을 위해 스타크 시프트를 정밀하게 校정하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스타크 조절을 통한 포르스터 공명은 단일 광자 트랜지스터에서 효과적인 광자-광자 상호작용을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이 공명 강화 기법을 사용할 경우 단일 광자 트랜지스터에서 도달 가능한 최대 이득은 얼마인가?
• RQ3 이 방법을 통해 단일 라이드버그 원자 탐지의 정밀도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 강화된 상호작용을 통해 라이드버그 이중 상태의 고정밀 분광 측정을 달성할 수 있는가?
• RQ5 라이드버그 트랜지스터에서 지배적인 디코herence 메커니즘은 무엇이며, 이를 규명하고 완화할 수 있는가?

주요 결과

• 스타크 조절을 통한 포르스터 공명 덕분에 단일 광자 트랜지스터의 이득이 100을 초과한다.
• 비파괴적 단일 라이드버그 원자 탐지의 정밀도가 0.8 또는 그 이상에 도달한다.
• 강화된 상호작용 덕분에 라이드버그 이중 상태의 고정밀 분광 측정이 가능해진다.
• 트랜지스터 작동 후 이득이 2를 초과하는 게이트 광자 읽기가 달성된다.
• 포르스터 공명 상에서 라이드버그 폴라리톤 전파의 이론적 모델링은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보인다.
• 실험적 및 이론적 분석을 통합하여 라이드버그 트랜지스터의 주요 디코herence 메커니즘이 성공적으로 규명되었다.