[論文レビュー] Optical diode based on the chirality of guided photons

C. Sayrin, Christian Junge+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 92

ひとこと要約

本論文は、サブ波長に閉じ込められた光のガイドモードにおける光子のキラリティに依存する最初の光学ダイオードを実証した。スピン極化原子を用いることで、非再帰的単一光子透過を達成した。シリカナノファイバーおよびウィスパリング・ギャラリー・モード共振器における表面モードの固有のキラリティを活用することで、高光学隔離と高透過率の両方を達成し、原子の内部状態によって制御可能である。これにより、量子情報処理向けの新しい非再帰的ナノフォトニクス素子が実現された。

ABSTRACT

Photons are nonchiral particles: their handedness can be both left and right. However, when light is transversely confined, it can locally exhibit a transverse spin whose orientation is fixed by the propagation direction of the photons. Confined photons thus have chiral character. Here, we employ this to demonstrate nonreciprocal transmission of light at the single-photon level through a silica nanofibre in two experimental schemes. We either use an ensemble of spin-polarised atoms that is weakly coupled to the nanofibre-guided mode or a single spin-polarised atom strongly coupled to the nanofibre via a whispering-gallery-mode resonator. We simultaneously achieve high optical isolation and high forward transmission. Both are controlled by the internal atomic state. The resulting optical diode is the first example of a new class of nonreciprocal nanophotonic devices which exploit the chirality of confined photons and which are, in principle, suitable for quantum information processing and future quantum optical networks.

研究の動機と目的

• ガイド光子のキラリティを用いて、単一光子レベルでの非再帰的光伝送を実証すること。
• 光子キラリティを利用した非再帰的機能を有する新しいナノフォトニクス素子の開発。
• 原子内部状態の制御により、高光学隔離と高透過率を同時に達成すること。
• 将来の量子オプティカルネットワークに適した、量子互換性を持つ光学ダイオードの実現。

提案手法

• シリカナノファイバーにおける表面モードの横方向スピンおよびキラリティに着目し、光子が伝搬方向に応じて偏光（σ⁺ または σ⁻）が方向依存性を示すことを活用する。
• ナノファイバー準位に弱く結合したスピン極化 85Rb 原子の集合体を用い、非再帰的透過は原子状態および磁場によって制御される。
• 表面モードによる結合により、ウィスパリング・ギャラリー・モード（WGM）ボトルマイクロレゾネータに強く結合した単一スピン極化原子を用い、方向依存の原子-場相互作用を実現する。
• 反対方向モードへのキラリティ結合を含む修正された Jaynes-Cummings ハミルトニアンと、完全なゼーマン準位構造を組み込んだモデルを用いる。
• ポisson分布に従う原子集合体を用い、マスター方程式を数値的に解き、非線形応答および2次相関関数を予測する。
• SPCMを用いたリアルタイム検出とFPGAベースの制御により、レゾネータ内での単一原子結合の特定と維持を実現し、測定を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面モードにおけるガイド光子のキラリティを用いて、非再帰的単一光子透過を達成できるか？
• RQ2 スピン極化原子の内部状態が、ナノフォトニクス系における方向依存透過をどのように制御するか？
• RQ3 単一光子光学ダイオードにおいて、高光学隔離と高透過率を同時に達成できるか？
• RQ4 外部磁場や磁性材料を用いずに、光子キラリティが非再帰性を実現する役割を果たすか？

主な発見

• 集合体および単一原子実験の両方で、高光学隔離（最大20 dB）と高透過率（最大90%）を達成した。
• 集合体実験では、前向き伝搬と後向き伝搬の透過率比が100:1に達し、強い非再帰性が確認された。
• 単一原子レゾネータ系では、時計回りモードへの結合定数は g↻ = 2π × 17 MHz、反時計回りモードへのそれは g↺ = 2π × 3 MHz であり、キラリティ結合に起因する。
• レゾネータ内での有効キラリティ χ は0.94に達し、強い方向依存偏光性が確認された。
• マスター方程式を用いた理論的モデルは、実験的な $g^{(2)}$-関数を再現し、強い光子ブロッキングと非線形性を示した。
• 集合体実験における捕獲原子の平均数は、透過率データのフィッティングから ⟨N⟩ ≈ 27 と求められた。