[论文解读] Enhancement of single-photon transistor by Stark-tuned F\"orster resonances

H. Gorniaczyk, Christoph Tresp+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用 1

一句话总结

本文展示了通过斯塔克调谐的福勒共振可显著增强光子与里德堡原子之间的有效相互作用，从而在光子量子器件中实现单光子晶体管的增益超过100，单原子探测保真度高于0.8，以及里德堡对态的高精度光谱测量，同时在晶体管操作后实现增益大于2的门光子读出。

ABSTRACT

Mapping the strong interaction between Rydberg atoms onto single photons via electromagnetically induced transparency enables manipulation of light on the single photon level and novel few-photon devices such as all-optical switches and transistors operated by individual photons. Here, we demonstrate experimentally that Stark-tuned Forster resonances can substantially increase this effective interaction between individual photons. This technique boosts the gain of a single-photon transistor to over 100, enhances the non-destructive detection of single Rydberg atoms to a fidelity beyond 0.8, and enables high precision spectroscopy on Rydberg pair states. On top, we achieve a gain larger than 2 with gate photon read-out after the transistor operation. Theory models for Rydberg polariton propagation on Forster resonance and for the projection of the stored spin-wave yield excellent agreement to our data and successfully identify the main decoherence mechanism of the Rydberg transistor, paving the way towards photonic quantum gates.

研究动机与目标

• 通过里德堡电磁感应透明化技术，增强单光子晶体管中光子-光子之间的有效相互作用。
• 将非破坏性单里德堡原子探测的保真度提升至0.8以上。
• 通过共振耦合实现里德堡对态的高精度光谱测量。
• 在晶体管操作后实现可测量的输出增益（>2）的门光子读出。
• 识别并缓解基于里德堡态的光子量子门中的主要退相干机制。

提出的方法

• 利用斯塔克调谐调节里德堡态能级，诱导不同主量子数的里德堡态之间的福勒共振。
• 采用电磁感应透明化（EIT）技术，通过里德堡极化激元将强里德堡相互作用映射到单个光子上。
• 采用自旋波存储与后续读出技术，投影晶体管操作后系统的量子态。
• 应用福勒共振条件下里德堡极化激元传播的理论建模，以解释实验数据。
• 通过存储自旋波的投影，以高保真度提取晶体管输出态的信息。
• 校准斯塔克移位，精确调节福勒共振条件，以实现最佳光子相互作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 斯塔克调谐的福勒共振是否能显著增强单光子晶体管中光子-光子之间的有效相互作用？
• RQ2 利用该共振增强技术，单光子晶体管的最大可实现增益是多少？
• RQ3 通过该方法，单里德堡原子探测的保真度可提升至何种程度？
• RQ4 能否利用增强的相互作用实现里德堡对态的高精度光谱测量？
• RQ5 里德堡晶体管中的主要退相干机制是什么？是否可以识别并缓解？

主要发现

• 由于斯塔克调谐的福勒共振，单光子晶体管实现了增益超过100。
• 非破坏性单里德堡原子探测的保真度达到0.8或以上。
• 增强的相互作用使里德堡对态的高精度光谱测量成为可能。
• 晶体管操作后实现了增益大于2的门光子读出。
• 里德堡极化激元在福勒共振条件下的理论模型与实验数据高度吻合。
• 通过实验与理论分析相结合，成功识别出里德堡晶体管中的主要退相干机制。