[论文解读] A single ion coupled to an optical fiber cavity
本文展示了一个单个 Yb+ 离子与一个 230 µm 长的光学纤维腔强耦合，该腔具有较小的模场体积，实现了相干耦合强度（g = 2π × 3.4 MHz）超过原子偶极衰减率（Γ），证实了在腔量子电动力学中的强耦合 regime。该系统采用微加工的光纤腔，实现了高效的离子-光子相互作用，适用于可扩展的量子网络。
We present the realization of a combined trapped-ion and optical cavity system, in which a single Yb^+ ion is confined by a micron-scale ion trap inside a 230 mum-long optical fiber cavity. We characterize the spatial ion-cavity coupling and measure the ion-cavity coupling strength using a cavity-stimulated Lambda-transition. Owing to the small mode volume of the fiber resonator, the coherent coupling strength between the ion and a single photon exceeds the natural decay rate of the dipole moment. This system can be integrated into ion-photon quantum networks and is a step towards cavity quantum-electrodynamics (cavity-QED) based quantum information processing with trapped ions.
研究动机与目标
- 在紧凑、集成的系统中实现单个捕获离子与单个光子之间的强耦合。
- 克服以往捕获离子实验中因腔模场体积过大而导致的弱离子-腔耦合问题。
- 证明靠近离子阱的介质表面不会从根本上破坏离子的相干性，从而实现与光子元件的集成。
- 利用微光纤腔实现可扩展的离子-光子量子接口平台。
- 通过腔激发的 Λ 跃迁测量离子-腔耦合强度，确认强耦合 regime。
提出的方法
- 使用端盖电极和补偿电极的保罗阱捕获单个 Yb+ 离子，实现 1.0 ± 0.1 K/s 的加热速率。
- 通过 369 nm 波长的 S1/2–P1/2 跃迁冷却离子，并通过 935 nm 波长的 D3/2–D[3/2]1/2 跃迁再泵浦，以维持 S1/2 态的布居数。
- 利用微加工、反射性镀膜的光纤端面，制造出长度为 230 µm、模场腰斑为 7 µm 且模场体积小的光学纤维腔。
- 将腔体对准垂直于离子阱轴线，并使用纳米定位平台将离子置于腔模场内。
- 通过 297 nm 激光和真空腔模驱动的腔激发 Λ 跃迁来测量离子-腔耦合强度。
- 使用密度矩阵的主方程对系统进行建模，通过共振和失谐腔条件下的测量衰减时间常数提取 g 值。
实验结果
研究问题
- RQ1能否在一个模场体积小的基于光纤的光学腔中，实现单个捕获离子与单个光子的强耦合？
- RQ2在光纤腔中，靠近离子的介质表面是否会损害离子的相干性或稳定性？
- RQ3在紧凑、集成的系统中，离子-腔耦合强度 g 是否能超过原子偶极衰减率 Γ？
- RQ4离子-腔耦合的空间依赖性如何？离子在腔模场中的定位精度如何？
- RQ5在耗散系统中，能否通过腔激发的 Λ 跃迁可靠地测量耦合强度？
主要发现
- 测得的离子-腔耦合强度为 g = 2π × (3.4 ± 0.2) MHz，接近两倍于原子偶极衰减率 Γ。
- 当腔处于共振时，腔激发 Λ 跃迁的测得时间常数为 17.2 µs，而失谐时为 34 µs。
- 离子在腔模场中的定位精度为 140 nm，表现为 40% 的驻波对比度。
- 测得单光子 Rabi 频率为 Ω297 = 2π × (1.13 ± 0.02) MHz，与腔的小立体角（δΩ = 4 × 10⁻⁴）一致。
- 尽管腔的精细度适中，系统仍实现了 g > Γ，证明小模场体积是实现强耦合的主导因素。
- 结果证实，在室温下，离子在介质表面附近稳定捕获是可行的，从而可实现与光子电路的集成。
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