[논문 리뷰] Frequency tuning of a triply-resonant whispering-gallery mode resonator to MHz wide transitions for proposed quantum repeater schemes

Gerhard Schunk, Ulrich Vogl외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 05.

Photonic and Optical Devices인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 리튬니오브산절(리튬니오브산절) 기반 삼중공진 웨이브기어 모드 공진기(WGMR)에서 연속적인 MHz 스케일 주파수 튜닝을 통해 세슘 및 입동 원자의 D1 전이에 정확히 일치시키며, 양자 재생기 응용을 위한 효율적인 허브리드 단일광자 생성을 가능하게 한다. 시스템은 온도 및 유전체 기판 조절을 통해 MHz 이하의 대역폭 제어를 달성하였으며, 분석 모델은 원자 전이 대역폭과의 호환성을 확인하고, 허브리드 광방출을 통한 광자-원자 결합의 실험적 검증을 수행하였다.

ABSTRACT

Quantum repeaters rely on an interfacing of flying qubits with quantum memories. The most common implementations include a narrowband single photon matched in bandwidth and central frequency to an atomic system. Previously, we demonstrated the compatibility of our versatile source of heralded single photons, which is based on parametric down-conversion in a triply-resonant whispering-gallery mode resonator, with alkaline transitions [Schunk et al., Optica 2, 773 (2015)]. In this paper, we analyze our source in terms of phase matching, available wavelength-tuning mechanisms, and applications to narrow-band atomic systems. We resonantly address the D1 transitions of cesium and rubidium with this optical parametric oscillator pumped above its oscillation threshold. Below threshold, the efficient coupling of single photons to atomic transitions heralded by single telecom-band photons is demonstrated. Finally, we present an accurate analytical description of our observations. Providing the demonstrated flexibility in connecting various atomic transitions with telecom wavelengths, we show a promising approach to realize an essential building block for quantum repeaters.

연구 동기 및 목표

• 양자 메모리 통합을 위해 좁은 원자 전이에 정확히 일치시키기 위한 삼중공진 웨이브기어 모드 공진기(WGMR)의 연속적 주파수 튜닝을 가능하게 하기 위해.
• 이동 가능한 유전체 기판과 온도 제어를 통해 연속적인, MHz 이하의 튜닝을 실현하는 파라메트릭 광자 쌍의 주파수 튜닝을 보여주기 위해.
• 허브리드 단일광자와 세슘 및 입동 원자의 D1 전이 간의 호환성을 확보하여, 양자 재생기 기반 기법에 필수적인 요건을 충족시키기 위해.
• 허브리드 광자의 시간 상관관계와 원자 광방출을 위한 분석 모델을 제공하여, 시스템의 일관성과 대역폭 일치성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 고 품질 인자(Q = 10^7–10^9)와 강한 χ(2) 비선형성을 활용하여 효율적인 파라메트릭 다운컨버전(ПDC)을 구현하기 위해 리튬니오브산절 웨이퍼로 구성된 삼중공진 웨이브기어 모드 공진기(WGMR)를 사용한다.
• 이동 가능한 유전체 기판을 통한 에바네센트 필드 커플링을 활용하여 쌍 생성 비율과 대역폭을 조절함으로써 연속적인 MHz 스케일 주파수 튜닝을 가능하게 한다.
• 특정 모드 트리플릿을 선택하기 위해 온도 제어를 적용하여 수백 나노미터의 단계적 튜닝을 실현하며, 기판 이동을 통한 추가 정밀 튜닝을 수행한다.
• 온도와 기판 이동을 조합하여 리튬니오브산절 기반 WGMR에서 입동 및 세슘의 D1 전이 대역폭 전역에 걸쳐 연속적인 튜닝을 구현한다.
• 맥스웰 방정식과 붕괴 과정의 통계적 독립성에서 유도된 지수 감쇠 분포를 기반으로 한 이론적 모델을 적용하여, 공진기 라운드다운 시간(t₁ = 7.4 ns)과 원자(excited state) 수명(t₂ = 37 ns)을 기반으로 한다.
• Klyshko 효율 형식을 적용하여 커플링, 수집, 검출 손실을 고려한 허브리드 효율을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리튬니오브산절 기반 삼중공진 웨이브기어 모드 공진기(WGMR)는 세슘 및 입동 원자의 D1 선과 같은 MHz 폭의 원자 전이에 대해 연속적으로 튜닝될 수 있는가?
• RQ2 리튬니오브산절 기반 WGMR에서 온도와 유전체 기판 이동을 통해 달성 가능한 주파수 튜닝 범위와 해상도는 무엇인가?
• RQ3 실험적으로 관측된 광자-원자 상관관계는 독립적인 지수 감쇠 과정에 대한 분석 모델과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ4 허브리드 단일광자 생성의 정밀도는 원자 전이 대역폭과 얼마나 일치하는가? 자연 상태의 원자 대역폭과 비교해보면 어떠한가?
• RQ5 이 시스템에서 Klyshko 효율은 커플링, 수집, 검출 요소에 의해 얼마나 제한되는가?

주요 결과

• 시스템은 자연 상태의 Cs D1 선 대역폭(4.58 MHz)과 유사한 안정성으로 MHz 폭의 전이에 대해 연속적인 주파수 튜닝을 실현하였다.
• 측정된 공진기 라운드다운 시간은 7.4 ns(21.5 MHz 대역폭)이며, 원자(excited state) 수명은 37 ns(4.3 MHz 대역폭)로, 자연 상태의 Cs D1 선 대역폭과 일치한다.
• 원자 광방출에서 유도된 허브리드 단일광자는 Klyshko 효율이 이드러 파동에 대해 8.4%이며, 재방출된 신호 파동에 대해 0.067%로 성공적으로 검출되었으며, 이는 커플링 및 수집 효율에 의해 제한된다.
• 시간 지연 상관관계 함수 P(Δt)에 대한 분석 모델이 실험 데이터를 정확히 맞추었으며, 이는 공진기 및 원자 붕괴 과정에 대한 지수 감쇠 모델의 타당성을 확인한다.
• 시스템은 입동 및 세슘 D1 전이 모두와 호환되며, 이동 가능한 큐비트와 원자 양자 메모리 간의 유연한 인터페이스 플랫폼을 제공한다.
• 1750 nm에서 관측된 최소 광자 대역폭은 약 0.2 MHz(FWHM)로, 리튬니오브산절의 내재 손실 최소값과 일치하여 고정밀 양자 상태 전송이 가능하다.