[论文解读] Frequency tuning of a triply-resonant whispering-gallery mode resonator to MHz wide transitions for proposed quantum repeater schemes

Gerhard Schunk, Ulrich Vogl+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2015

Photonic and Optical Devices被引用 9

一句话总结

本文展示了在钽酸锂中实现三重共振的 whispering-gallery 模式谐振器（WGMR）的连续 MHz 量级频率调谐，精确匹配铯和铷原子的 D1 跃迁，从而实现用于量子中继器应用的高效后选单光子生成。该系统通过温度和介质基板调谐实现亚 MHz 线宽控制，理论建模证实其与原子跃迁线宽兼容，实验验证了通过后选荧光实现的光子-原子耦合。

ABSTRACT

Quantum repeaters rely on an interfacing of flying qubits with quantum memories. The most common implementations include a narrowband single photon matched in bandwidth and central frequency to an atomic system. Previously, we demonstrated the compatibility of our versatile source of heralded single photons, which is based on parametric down-conversion in a triply-resonant whispering-gallery mode resonator, with alkaline transitions [Schunk et al., Optica 2, 773 (2015)]. In this paper, we analyze our source in terms of phase matching, available wavelength-tuning mechanisms, and applications to narrow-band atomic systems. We resonantly address the D1 transitions of cesium and rubidium with this optical parametric oscillator pumped above its oscillation threshold. Below threshold, the efficient coupling of single photons to atomic transitions heralded by single telecom-band photons is demonstrated. Finally, we present an accurate analytical description of our observations. Providing the demonstrated flexibility in connecting various atomic transitions with telecom wavelengths, we show a promising approach to realize an essential building block for quantum repeaters.

研究动机与目标

• 实现三重共振的 whispering-gallery 模式谐振器（WGMR）的精确频率调谐，以匹配窄线宽原子跃迁，用于量子存储器集成。
• 通过可移动介质基板和温度控制，展示参量光子对的连续、亚 MHz 调谐。
• 实现后选单光子与铯和铷原子 D1 跃迁的兼容性，这对量子中继器方案至关重要。
• 提供后选光子与原子荧光时间相关性的理论模型，验证系统的相干性与带宽匹配。

提出的方法

• 利用钽酸锂晶圆制造的三重共振 WGMR，利用其高 Q 因子（10^7–10^9）和强 χ(2) 非线性，实现高效的参量下转换（PDC）。
• 通过可移动介质基板实现倏逝场耦合，调节配对生成速率和带宽，实现连续 MHz 量级频率调谐。
• 应用温度控制选择特定的模式三重态，实现数百纳米范围的步进调谐，通过基板位移实现额外的精细调谐。
• 结合温度与基板位移，实现跨越铷和铯 D1 跃迁带宽的连续调谐。
• 基于谐振器环衰减时间（t₁ = 7.4 ns）和原子激发态寿命（t₂ = 37 ns）的指数衰减分布，建立理论模型，该模型源自麦克斯韦方程组，并假设衰变过程统计独立。
• 应用 Klyshko 效率形式化方法量化后选效率，考虑耦合、收集和探测损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在钽酸锂中的三重共振 whispering-gallery 模式谐振器实现对铯和铷原子 D1 跃迁等 MHz 宽度原子跃迁的连续调谐？
• RQ2 在钽酸锂 WGMR 中，通过温度和介质基板位移可实现的频率调谐范围和分辨率是多少？
• RQ3 实验观测到的光子-原子相关性与独立指数衰减过程的理论模型匹配程度如何？
• RQ4 后选单光子生成对原子跃迁线宽的保真度如何？与自然原子线宽相比有何差异？
• RQ5 Klyshko 效率在多大程度上受系统中耦合、收集和探测因素的限制？

主要发现

• 系统实现了参量光子在 MHz 宽度跃迁上的连续频率调谐，其稳定性与铯 D1 线的自然线宽（4.58 MHz）相当。
• 测得的谐振器环衰减时间为 7.4 ns（带宽 21.5 MHz），原子激发态寿命为 37 ns（带宽 4.3 MHz），与铯 D1 线的自然线宽一致。
• 通过后选荧光成功探测到原子荧光的后选单光子，本振光子的 Klyshko 效率为 8.4%，重发射信号光子的 Klyshko 效率为 0.067%，受限于耦合和收集效率。
• 时间延迟相关函数 P(Δt) 的理论模型与实验数据高度吻合，证实了谐振器和原子衰变过程均符合指数衰减模型。
• 该系统与铷和铯 D1 跃迁均兼容，为飞驰量子比特与原子量子存储器的接口提供了灵活平台。
• 在 1750 nm 波长下观测到的最小光子带宽约为 0.2 MHz（0.2 MHz FWHM），与钽酸锂的本征损耗最小值一致，支持高保真度的量子态转移。