[논문 리뷰] Probing the indistinguishability of single photons generated by Rydberg atomic ensembles

Auxiliadora Padrón-Brito, Jan Lowinski외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 13.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 44인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 라이드버그 원자 군집에서 생성된 단일 광자를 두 가지 자극 프로토콜인 공 resonance 두 광자 자극(OR)과 라이드버그 전자기 유도 투과성(EIT)을 사용하여 상호 구별 불가능성의 정도를 조사한다. 환경 광자와의 홍-오우-마נדל(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭을 통해 저강도 연속 광자 펄스와의 간섭을 수행한 결과, OR 프로토콜을 사용할 경우 작은 검출 창 크기에서 최대 98%의 상호 구별 불가능성을 달성하였으며, EIT 프로토콜보다 유의미하게 높게 나타나, 양자 네트워크를 위한 고정밀 광자 큐비트의 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

We investigate the indistinguishability of single photons retrieved from collective Rydberg excitations in cold atomic ensembles. The Rydberg spin waves are created either by off resonant two-photon excitation to the Rydberg state or by Rydberg electromagnetically induced transparency. To assess the indistinguishability of the generated single photons, we perform Hong-Ou-Mandel experiments between the single photons and weak coherent states of light. We analyze the indistinguishability of the single photons as a function of the detection window and for photons generated by off-resonant excitation we infer high value of indistinguishability going from 89% for the full waveform to 98% for small detection windows. In the same way, we also investigate for the first time the indistinguishability of single photons generated by Rydberg EIT, showing values lower than those corresponding to single photons generated by off-resonant excitation. These results are relevant for the use of Rydberg atoms as quantum network nodes.

연구 동기 및 목표

• 라이드버그 원자 군집에서 두 가지 다른 자극 메커니즘인 공 resonance 두 광자 자극(OR)과 라이드버그 전자기 유도 투과성(EIT)을 사용하여 생성된 단일 광자의 상호 구별 불가능성 정도를 평가하는 것.
• 검출 창 크기의 함수로서 상호 구별 불가능성의 정도를 측정하여 방출된 광자의 전체 시간 도메인 웨이브폼 평가를 가능하게 하는 것.
• 원거리 양자 얽힘과 양자 중계기와 같은 양자 네트워크 응용 분야에서 중요한 단일 광자 생성에 있어 OR 및 EIT 프로토콜의 성능을 비교하는 것.
• EIT 프로토콜에서 상호 구별 불가능성이 감소하는 주요 원인을 분석하는 것—특히 분해기와 광자 오염과 관련된 원인을 규명하는 것.

제안 방법

• 냉각된 87Rb 원자 군집을 디폴드 트랩에 포획하여 광학적 깊이 ~6을 확보하고, 기저 상태 |5S1/2, F=2⟩로 준비하였다.
• 공 resonance 두 광자 자극(OR)과 라이드버그 EIT를 사용하여 집합적인 라이드버그 스핀 웨이브를 생성하였으며, 두 광자 떨어짐은 거의 0에 가깝게 고정하였다.
• 라이드버그 군집에서 방출된 단일 광자와 저강도 연속 광자 펄스(WCS) 펄스 간의 홍-오우-마andel(Hong-Ou-Mandel, HOM) 간섭을 50:50 비스플리터를 사용하여 수행하였다.
• 검출 창 크기의 함수로서 HOM 간섭의 가시도를 측정하였으며, 가시도 공식 V = 1 - p_ind / p_d 를 사용하였다. 여기서 p_ind 와 p_d 는 상호 구별 불가능한 입력과 구별 가능한 입력의 동시도 확률을 의미한다.
• 단일 광자 검출 확률, WCS 광자 수, g(2)(0) 를 고려하여 상호 구별 불가능성의 영향을 분리하기 위해 상호 구별 불가능성 인자 η 를 계산하였다.
• 다양한 검출 창 크기에서의 광자 통계와 상호 구별 불가능성 정도를 분석하기 위해 제2차 자기상관함수 g(2)_Δt 를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공 resonance 두 광자 자극(OR)을 통해 라이드버그 원자 군집에서 생성된 단일 광자의 상호 구별 불가능성 정도는 어느 정도인가?
• RQ2 라이드버그 EIT를 통해 생성된 광자는 OR로 생성된 광자와 비교해 상호 구별 불가능성 정도가 어떻게 다른가?
• RQ3 검출 창 크기가 측정된 단일 광자의 상호 구별 불가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 OR에 비해 EIT 프로토콜에서 상호 구별 불가능성이 감소하는 주요 원인은 무엇인가?
• RQ5 방출된 광자의 전체 시간 도메인 웨이브폼은 상호 구별 불가능성이 크게 손상되지 않는 한 양자 간섭 실험에 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 공 resonance 두 광자 자극(OR) 프로토콜은 단일 광자의 전체 시간 도메인 웨이브폼에서 89%의 상호 구별 불가능성을 달성하였으며, 이는 검출 창 크기와 광자 통계에 의해 제한되었다.
• 작은 검출 창 크기에서는 OR 프로토콜이 최대 98%의 상호 구별 불가능성을 달성하였으며, 이는 방출된 광자의 높은 위상 일관성과 시간 도메인 품질을 시사한다.
• 라이드버그 EIT 프로토콜은 낮은 상호 구별 불가능성을 보였으며, 전체 웨이브폼에선 72%, 작은 검출 창 크기에서는 87%를 기록하여 OR에 비해 광자 품질이 열악해졌음을 시사한다.
• EIT에서 상호 구별 불가능성이 감소하는 것은 산란에 의한 분해기와 광자 오염 물질 생성 때문이며, 이는 OR 프로토콜보다 덜 두드러진다.
• EIT에서 상호 구별 불가능성이 낮아도 광자는 전체 펄스 지속 기간 동안 여전히 매우 높은 상호 구별 불가능성을 유지하므로, 고가시도가 요구되는 양자 통신 프로토콜에 활용 가능하다.
• 전체 광자 웨이브폼을 캡처하기 위해 검출 창 크기를 늘리면 효과적인 상호 구별 불가능성이 감소하지만, 최적의 창 크기 선택을 통해 고정밀 간섭이 요구되는 응용 분야에 적합한 광자를 유지할 수 있다.