[논문 리뷰] Stopped and stationary light at the single-photon level inside a hollow-core fiber

Thorsten Peters, Ta-Pang Wang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 13.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 허브 코어 포토닉 크리스탈 섬유(HCPCF)에 냉각된 87Rb 원자를 사용하여 단일 광자 수준에서 정지 및 정적 빛을 구현한다. 빛-물질 상호작용을 강화하고 편광 필터링을 통해 신호 대 잡음비(SNR)를 59로 달성하였다. 전자기 유도 투명성(EIT)을 활용하고 이중성 효과를 완화함으로써, 좁은 대역폭 펄스를 사용한 효율적인 빛의 저장 및 재생이 가능해졌으며, 이는 단일 광자 수준에서 실현되었다.

ABSTRACT

An experimental platform operating at the level of individual quanta and providing strong light-matter coupling is a key requirement for quantum information processing. We report on narrowband light storage and retrieval as well as stationary light, based on electromagnetically induced transparency, for weak coherent light pulses down to the single-photon level with a signal-to-noise ratio of 59. The experiments were carried out with laser-cooled atoms loaded into a hollow-core photonic crystal fiber to provide strong light-matter coupling, thereby demonstrating the prospects for future quantum networks of such a platform.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 플랫폼에서 단일 광자 수준의 빛-물질 상호작용을 가능하게 하여 양자 정보 처리를 실현하고자 한다.
• 파이버 커플드 원자 군집에서 배경 잡음과 이중성 제한을 극복하여 고정밀도 양자 메모리 구현을 목표로 한다.
• 좁은 대역폭의 일관된 펄스를 사용하여 단일 광자 수준에서 빛의 저장 및 재생(LSR)과 정적 빛 펄스(SLP)를 구현하고자 한다.
• 구조적 이중성에도 불구하고 허브 코어 섬유(HCPCF)에서 높은 광학 깊이와 강한 결합을 유지하면서도 편광 필터링 효율을 유지하고자 한다.
• 냉각된 원자를 이용한 저전력·저잡음 작동과 높은 메모리 효율성을 결합하여 향후 양자 네트워크를 실현하고자 한다.

제안 방법

• 허브 코어 포토닉 크리스탈 섬유(HCPCF)에 로딩된 레이저 냉각 87Rb 원자 군집에서 전자기 유도 투명성(EIT)을 활용한다.
• 더 큰 전이 전기 dipole 모멘트를 가진 미세 구조 전이를 사용하여 제어 빛의 필요 전력과 비공명 흡수를 최소화한다.
• HCPCF의 선형 이중성 효과를 특성화하고 보정하여 편광 상태를 유지하고, 편광 필터링을 통한 효과적인 배경 잡음 감소를 실현한다.
• 측정 창 동안 아크 스타크 시프트를 최소화하면서 원자 구속을 유지하기 위해 250 kHz에서 빠르게 변조되는 원거리 비공명 트랩(FORT)을 적용한다.
• 단일 광자 카운팅 모듈(SPCM)과 디지털 옌스코프를 사용한 시간 해상도 검출 방식을 통해 200 µs 동안 전달된 광자를 60회 평균하여 기록한다.
• 원자 없이 수행한 기준 측정을 이용해 배경 제거를 수행하여 레이저 유출 및 산산조각 난 광자를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이버 커플드 원자 시스템에서 단일 광자 수준에서 빛의 저장 및 재생(LSR)과 정적 빛 펄스(SLP)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 허브 코어 포토닉 크리스탈 섬유에서의 이중성은 어떻게 특성화하고 완화할 수 있으며, 이를 통해 편광 필터링 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ3 HCPCF 기반 플랫폼에서 단일 광자 수준의 LSR 및 SLP에 대해 달성 가능한 신호 대 잡음비(SNR)는 얼마인가?
• RQ4 구조적 이중성에도 불구하고 HCPCF에서 높은 광학 깊이와 강한 빛-물질 결합을 유지하면서 저전력·저잡음 EIT 작동을 실현할 수 있는가?
• RQ5 빠른 FORT 변조가 측정 창 동안 아크 스타크 시프트를 얼마나 효과적으로 억제할 수 있으며, 이로 인해 원자 손실이 상당히 증가하지는 않는가?

주요 결과

• 이 플랫폼는 단일 광자 수준의 빛의 저장 및 재생에 대해 59의 신호 대 잡음비(SNR)를 달성하여 단일 광자 수준에서의 강력한 탐지가 가능하다.
• 원자 유무에 관계없이 배경 잡음은 각각 1.1 × 10⁴ and 0.7 × 10⁴ 광자/초로 감소하여, 이중성에도 불구하고 편광 필터링을 통한 효과적인 감소가 입증되었다.
• 고광학 깊이(d_opt ≲ 1000)를 가진 HCPCF에서 높은 광학 깊이 덕분에 빛의 저장 및 재생 효율이 양자 메모리 응용에 적합한 수준에 도달하였다.
• 더 큰 전이 전기 dipole 모멘트를 가진 미세 구조 전이를 사용함으로써 제어 빛의 전력 소모를 낮추고 비공명 흡수 및 비균일한 시프트를 최소화할 수 있었다.
• 250 kHz에서 빠르게 변조된 FORT는 2.5 µs 측정 창 동안 아크 스타크 시프트를 억제하여 원자 양자 얽힘을 유지하고, 로딩 사이클당 최대 50회의 측정을 가능하게 하였다.
• 실험 설정은 정적 빛 펄스(SLP) 생성과 높은 정밀도의 좁은 대역폭 빛 저장을 가능하게 하여, 이 플랫폼이 양자 네트워크 응용 가능성을 검증하였다.