[논문 리뷰] Optical diode based on the chirality of guided photons

C. Sayrin, Christian Junge외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 05.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 92

한 줄 요약

이 논문은 고체 나노섬유와 밀착된 광자 흐름의 편광 특성에 기반한 첫 번째 광학 다이오드를 보여주며, 스핀-극화된 원자를 이용해 비대칭 단광자 전파를 실현한다. 실리카 나노섬유와 월터링-갤러리 모드 공진기에서 발생하는 비대칭 전자기장의 내재된 편향성 특성을 활용함으로써, 높은 광학적 격리성과 높은 전방 방향 전송 성능을 동시에 달성하며, 이는 원자의 내부 상태에 의해 제어된다. 이는 양자 정보 처리를 위한 새로운 종류의 비대칭 나노광학 장치를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Photons are nonchiral particles: their handedness can be both left and right. However, when light is transversely confined, it can locally exhibit a transverse spin whose orientation is fixed by the propagation direction of the photons. Confined photons thus have chiral character. Here, we employ this to demonstrate nonreciprocal transmission of light at the single-photon level through a silica nanofibre in two experimental schemes. We either use an ensemble of spin-polarised atoms that is weakly coupled to the nanofibre-guided mode or a single spin-polarised atom strongly coupled to the nanofibre via a whispering-gallery-mode resonator. We simultaneously achieve high optical isolation and high forward transmission. Both are controlled by the internal atomic state. The resulting optical diode is the first example of a new class of nonreciprocal nanophotonic devices which exploit the chirality of confined photons and which are, in principle, suitable for quantum information processing and future quantum optical networks.

연구 동기 및 목표

• 유도된 광자들의 편향성 특성을 이용해 단광자 수준에서 비대칭 광전파를 실현하는 것.
• 광자 편향성을 이용한 비대칭 기능을 가진 새로운 종류의 나노광학 장치를 개발하는 것.
• 원자의 내부 상태 제어를 통해 고립도와 고전방 전송 성능을 동시에 달성하는 것.
• 미래의 양자 광학 네트워크에 적합한 양자 호환성 있는 광학 다이오드를 실현하는 것.

제안 방법

• 실리카 나노섬유에서의 비대칭 전자기장의 횡방향 스핀과 편향성 특성을 활용하며, 광자가 전파 방향에 따라 다른 편광(σ⁺ 또는 σ⁻)을 띤다.
• 나노섬유 모드와 약하게 결합된 스핀-극화된 85Rb 원자 집합체를 사용하며, 비대칭 전파 특성은 원자의 상태와 외부 자기장에 의해 제어된다.
• 은둔장에 존재하는 단일 스핀-극화 원자가 비대칭 전자기장에 의해 강하게 결합된 월터링-갤러리 모드(비트 박스 마이크로공진기)와 결합되며, 이로 인해 방향에 따라 다른 원자-장 상호작용이 가능해진다.
• 반사파 모드와의 비대칭 결합을 고려한 수정된 제이너스-커밍 해밀토니안을 사용하며, 전체 자명하나자 상태를 포함한 모델링을 수행한다.
• 포isson 분포를 따르는 원자 집합체를 사용하고, 마스터 방정식을 수치적으로 풀어 비선형 반응 및 이阶 상관 함수를 예측한다.
• 실시간 감지(SPCM)와 FPGA 기반 제어를 통해 공진기 내에서 단일 원자 결합 상태를 식별하고 유지하며 측정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유도된 광자들의 비대칭 전자기장에서의 편향성 특성을 이용해 비대칭 단광자 전파를 달성할 수 있는가?
• RQ2 스핀-극화된 원자의 내부 상태는 나노광학 시스템에서 방향에 따라 다른 전파 특성을 어떻게 제어하는가?
• RQ3 단광자 광학 다이오드에서 고립도와 고전방 전송 성능을 동시에 확보할 수 있는가?
• RQ4 외부 자기장이나 자기성 물질 없이 광자 편향성이 비대칭성을 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 집합체 및 단일 원자 실험 모두에서 고립도(최대 20 dB)와 높은 전방 전송 성능(최대 90%)을 동시에 달성하였다.
• 집합체 실험에서 전방과 후방 전파 간 전송 비율이 100:1에 도달하여 강한 비대칭성을 확인하였다.
• 단일 원자 공진기 시스템에서 시계도리 모드로의 결합 강도는 g↻ = 2π × 17 MHz이며, 반시계도리 모드로의 결합 강도는 g↺ = 2π × 3 MHz로, 비대칭 결합에 기인한다.
• 공진기 내에서의 효과적 편향성 χ는 0.94에 도달하여 강한 방향성 편광 의존성을 확인하였다.
• 마스터 방정식 기반 이론 모델링은 실험적 $g^{(2)}$-함수를 재현하였으며, 강한 광자 차단 현상과 비선형성을 보였다.
• 집합체 실험에서 포획된 원자 평균 수는 ⟨N⟩ ≈ 27로, 전송 데이터에 대한 피팅을 통해 도출되었다.