[논문 리뷰] Quantum gate for Q switching in monolithic photonic bandgap cavities containing two-level atoms

Andrew D. Greentree, J. Salzman외 2명|arXiv (Cornell University)|2005. 11. 11.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 조절 가능한 이준위 원자들을 사용하여 단일 고체 광학 밴드 갭 공진자에서 Q-스위칭을 위한 고체 상태 양자 게이트를 제안한다. 제어 원자가 게이트 공진자에 위치하여 공명 결합을 통해 파장으로의 광자 전달을 조절한다. 이 방법은 광자 방출을 유도하기 위해 원자 전이 주파수를 단서적으로 조절함으로써 요구 시점에서 변환 제한 없는 단일 광자 방출을 높은 정밀도로 가능하게 하며, 잔류 농도 10⁻⁴와 약 1 ns의 스위칭 시간을 달성한다.

ABSTRACT

Photonic bandgap cavities are prime solid-state systems to investigate light-matter interactions in the strong coupling regime. However, as the cavity is defined by the geometry of the periodic dielectric pattern, cavity control in a monolithic structure can be problematic. Thus, either the state coherence is limited by the read-out channel, or in a high Q cavity, it is nearly decoupled from the external world, making measurement of the state extremely challenging. We present here a method for ameliorating these difficulties by using a coupled cavity arrangement, where one cavity acts as a switch for the other cavity, tuned by control of the atomic transition.

연구 동기 및 목표

• 강한 결합으로 인해 외부 접근 및 측정이 제한되는 단일 고체 광학 밴드 갭 공진자에서 고 품질(Q)을 제어하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 양자 정보 장치에 적합한 확장 가능한, 전적으로 고체 상태 기반의 요구 시점 단일 광자 생성 솔루션을 개발하기 위해.
• 기계적 또는 열적 액추에이터 없이 단일 고체 광학 밴드 갭 공진자에서 Q-스위칭을 가능하게 하기 위해 외부 필드에 의한 원자 주파수 조절만을 사용하기 위해.
• 다이아몬드 기반 광학 결정에서 질소 비공진점(N-V) 중심을 사용한 실용적이고 실험적으로 구현 가능한 아키텍처를 제시하기 위해.

제안 방법

• 저장 공진자와 조절 가능한 게이트 공진자로 구성된 결합 공진자 시스템을 사용하며, 각 공진자에 단일 이준위 원자가 포함되어 있다.
• 광자 이동은 임계 모드 결합을 통해 이루어지며, 게이트 공진자는 파장으로의 출력을 위해 파장과 결합되어 있다.
• 게이트 공진자 내 원자 전이 주파수는 외부 스타크 시프트를 통해 조절되어 공명 조건을 동적으로 제어할 수 있다.
• 원자 주파수의 단서적 조절을 통해 게이트 공진자가 저장 공진자와 공명 상태에 들어가며, 이로 인해 빠른 광자 전달이 파장으로 유도된다.
• 시스템은 라비 결합 항과 감쇠율을 포함한 해밀토니안으로 모델링되며, 역행파 근사 아래에서 역학이 해석된다.
• 이 방법은 광자 손실이 내재된 공진자 감쇠가 아닌 파장으로의 이동에 의해 지배되는 양호한 공진자 한계에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 후공정 처리 중 원자 전이 주파수 조절만으로 단일 고체 광학 밴드 갭 공진자를 효과적으로 Q-스위칭할 수 있는가?
• RQ2 기계적 또는 열적 액추에이터 없이 고체 상태 공진자-양자 전자기역학 시스템에서 고정밀도의 요구 시점 단일 광자 방출을 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ3 최소한의 잔류 농도로 효율적이고 단서적인 광자 전달을 달성하기 위해 필요한 결합 및 감쇠 파rameter는 무엇인가?
• RQ4 이 방법은 질소 비공진점 중심을 가진 다이아몬드와 같은 실용적 플랫폼에서 실현 가능한가?

주요 결과

• 스위칭되지 않은 상태에서 저장 공진자 내 잔류 농도가 10⁻⁴로 유지되어 보존 단계 동안 최소한의 누설을 보장한다.
• 광자 방출은 약 1 ns 내에 발생하며, 이는 1/𝐽 ≈ 10⁻⁹ s에 해당하는 스위칭 시간을 의미하며, 총 스위칭 지속 시간은 2×10⁴π/Ω이다.
• Ω = 10¹⁰ Hz일 경우, 필요한 디테uning δ ≤ 10¹² Hz이며, κcq/δ ≤ 10⁻² 조건을 만족하여 단서성 조건을 충족한다.
• 저장 공진자 Q는 약 10⁵이며, 게이트 공진자 Q는 약 10⁴로, 현재의 제조 능력으로 다이아몬드 기반 광학 결정에서 실현 가능한 수준이다.
• 실제 파rameter 조건에서도 시스템은 강건하며, 단서성 조건을 완화하고 디테uning을 증가시킴으로써 낮은 Q 값에서도 원리적 작동이 가능하다.
• 제안된 아키텍처는 질소 비공진점 중심을 가진 다이아몬드를 사용하여 실험적으로 실현 가능하며, 약 10¹² Hz 범위의 스타크 조절 범위는 요구되는 조절 창문을 초과한다.