[논문 리뷰] Optical Nanofibers: a new platform for quantum optics

Pablo Solano, Jeffrey A. Grover외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 30.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 201인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 광학 나노섬유(ONFs)가 강한 원자-광 간섭을 가능하게 하는 좁은 모드 봉쇄와 높은 공존성 덕분에, 단일 원자로도 강한 원자-광 결합을 가능하게 함으로써 양자광학 및 양자정보 처리를 위한 다용도 플랫폼으로서의 가능성을 입증한다. ONF의 임계장은 효율적이고 저전력의 분광 측정, 원자 포획, 그리고 스핀-오르빗 결합을 통한 카이랄 양자광학을 가능하게 하며, 단일 광자 수준에서 높은 방향성의 광자 방출과 고립을 구현한다.

ABSTRACT

The development of optical nanofibers (ONF) and the study and control of their optical properties when coupling atoms to their electromagnetic modes has opened new possibilities for their use in quantum optics and quantum information science. These ONFs offer tight optical mode confinement (less than the wavelength of light) and diffraction-free propagation. The small cross section of the transverse field allows probing of linear and non-linear spectroscopic features of atoms with exquisitely low power. The cooperativity -- the figure of merit in many quantum optics and quantum information systems -- tends to be large even for a single atom in the mode of an ONF, as it is proportional to the ratio of the atomic cross section to the electromagnetic mode cross section. ONFs offer a natural bus for information and for inter-atomic coupling through the tightly-confined modes, which opens the possibility of one-dimensional many-body physics and interesting quantum interconnection applications. The presence of the ONF modifies the vacuum field, affecting the spontaneous emission rates of atoms in its vicinity. The high gradients in the radial intensity naturally provide the potential for trapping atoms around the ONF, allowing the creation of one-dimensional arrays of atoms. The same radial gradient in the transverse direction of the field is responsible for the existence of a large longitudinal component that introduces the possibility of spin-orbit coupling of the light and the atom, enabling the exploration of chiral quantum optics.

연구 동기 및 목표

• 광학 나노섬유(ONFs)를 양자광학 및 양자정보 처리를 위한 확장 가능하고 손실이 낮은 플랫폼으로 구축하기.
• 원자-ONF 시스템에서 높은 공존성과 광학 깊이를 입증하여 단일 원자로도 강한 결합을 가능하게 하기.
• ONF의 縦방향 전기장 성분과 스핀-오르빗 결합을 활용하여 카이랄 양자광학을 탐색하고 활용하기.
• 가닥진 모드를 통해 1차원 원자 배열을 형성하여 many-body 양자물리학과 장거리 상호작용을 실현하기.
• 원자-ONF 인터페이스를 활용한 단일 광자 고립기 및 광학 메모리와 같은 실용적 응용 개발하기.

제안 방법

• 하나의 하향형 직경을 가진 광학 나노섬유의 임계장을 이용해 그 주변의 원자와 결합시켜 강한 원자-광 상호작용을 유도한다.
• 원자-광 간섭 강도를 정량화하기 위해 공존성 파라미터 $ C_1 = \frac{g^2}{\kappa\gamma} $ 를 사용하며, 단일 원자로도 $ C_1 > 1 $ 을 달성한다.
• ONF 모드의 반경 방향 강도 기울기를 활용해 냉각된 원자를 위한 디폴 전기장 포획함을 형성하여 안정적인 1차원 배열을 구현한다.
• 고차 모드와 설계된 파이프웨이브를 활용해 빛의 편광과 방향성을 제어하여 카이랄 광자 방출을 가능하게 한다.
• 분산 분광 측정 및 투과도 측정을 통해 포획된 원자에서의 원자-장 상호작용과 공진성을 탐색한다.
• ONFs를 고-Q 마이크로공진기와 통합하여 간섭 강도를 향상시키고, EIT 및 광학 메모리 응용을 위한 단일 원자 상호작용을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 나노섬유는 단일 원자로도 높은 공존성과 광학 깊이를 달성하여 양자광학에서 강한 결합을 어떻게 실현할 수 있는가?
• RQ2 종방향 전기장 성분은 카이랄 양자광학과 방향성 광자 방출을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 ONFs는 가닥진 모드를 통해 장거리이고 공진성이 높은 원자-원자 상호작용을 지원할 수 있으며, 그 공진성 수명 제한은 무엇인가?
• RQ4 빛의 스핀-오르빗 결합은 원자-ONF 시스템에서 광자 방출의 방향성을 어떻게 제어할 수 있는가?
• RQ5 ONF 기반 양자 인터페이스의 실용적 한계와 양자정보 및 통신 분야에서의 잠재적 응용은 무엇인가?

주요 결과

• 광학 나노섬유는 극도로 좁은 모드 봉쇄 덕분에 단일 원자 공존성 $ C_1 > 1 $ 을 달성하여 매우 낮은 광학 전력으로도 강한 결합을 가능하게 한다.
• ONF 모드의 반경 방향 강도 기울기는 냉각된 원자를 안정적으로 포획할 수 있는 디폴 전기장 포획함을 제공하여 고정밀 1차원 배열 형성을 가능하게 한다.
• ONF 장의 종방향 성분은 스핀-오르빗 결합을 유도하여 카이랄 양자광학과 방향성 광자 방출을 가능하게 한다.
• 실험적으로 스핀-오르빗 결합된 나노광학적 파이프웨이브를 사용하여 최대 94%의 방향성을 입증하였으며, 이는 단일 광자 고립기를 가능하게 한다.
• ONF를 통한 상호작용은 단일 원자에서 고정밀도 EIT와 광학 메모리를 실현하였으며, WGM 마이크로공진기와의 강한 결합을 통해 달성되었다.
• 이 시스템은 카이랄 저장소를 갖춘 계단식 양자 개방계를 가능하게 하여 비마르코프 역학 및 양자 운반 현상을 연구할 수 있는 새로운 길을 열었다.