[论文解读] 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 92

一句话总结

该论文首次展示了基于亚波长限制光场中导引光子手性的光学二极管，利用自旋极化的原子实现非互易单光子传输。通过利用熔融石英纳米纤维和回音壁模式谐振器中倏逝场的固有手性特性，该系统实现了高光学隔离度和高正向透射率，二者均由原子内态控制，从而为量子信息处理领域开辟了一类新型非互易纳米光子器件。

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.

研究动机与目标

• 展示利用导引光子的手性特性在单光子水平实现非互易光传输。
• 开发一类利用光子手性实现非互易功能的新一代纳米光子器件。
• 通过控制原子内态，同时实现高光学隔离度和高正向透射率。
• 实现适用于未来量子光学网络的量子兼容光学二极管。

提出的方法

• 利用熔融石英纳米纤维中倏逝场的横向自旋和手性特性，其中光子表现出基于传播方向的定向偏振（σ⁺或σ⁻）。
• 采用弱耦合至纳米纤维模式的自旋极化⁸⁵Rb原子系综，通过原子态和磁场控制非互易传输。
• 利用单个自旋极化原子通过倏逝耦合强耦合至回音壁模式（WGM）瓶形微谐振器，实现方向依赖的原子-场相互作用。
• 采用改进的Jaynes-Cummings哈密顿量建模系统，包含对向传播模式的非对称手性耦合及完整的Zeeman子能级结构。
• 采用泊松分布的原子系综，通过数值求解主方程预测非线性响应和二阶相关函数。
• 通过SPCM实时探测与FPGA控制实现单原子耦合的识别与维持，用于测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用倏逝场中导引光子的手性特性实现非互易单光子传输？
• RQ2 自旋极化原子的内态如何控制纳米光子系统中方向依赖的传输特性？
• RQ3 能否在单光子光学二极管中同时实现高光学隔离度与高正向透射率？
• RQ4 光子手性在无需外加磁场或磁性材料的条件下，如何实现非互易性？

主要发现

• 在系综与单原子实验中，系统均实现了高达20 dB的光学隔离度和高达90%的正向透射率。
• 系综实验中正向与反向传播的透射率比达到100:1，证实了强烈的非互易性。
• 对于单原子谐振器系统，光子对顺时针模式的耦合强度为g↻ = 2π × 17 MHz，对逆时针模式为g↺ = 2π × 3 MHz，这是由于手性耦合所致。
• 谐振器中倏逝场的有效手性χ达到0.94，证实了强烈的定向偏振依赖性。
• 基于主方程的理论建模重现了实验测得的$g^{(2)}$-函数，显示出强烈的光子阻塞效应与非线性行为。
• 系综实验中捕获原子的平均数量⟨N⟩ ≈ 27，由透射数据拟合确定。