[论文解读] Optical Nanofibers: a new platform for quantum optics

Pablo Solano, Jeffrey A. Grover+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 201被引用 39

一句话总结

该论文通过实现强原子-光子耦合与高合作性，即使仅使用单个原子，也确立了光学纳米纤维（ONFs）作为量子光学与量子信息处理的多功能平台，其关键在于模式的紧密限制。ONF的倏逝场实现了高效、低功耗的光谱测量、原子捕获以及通过自旋-轨道耦合实现的手性量子光学，展示了单光子级别的高方向性光子发射与隔离。

ABSTRACT

The development of optical nanofibers (ONF) and the study and control of their optical properties when coupling atoms to their electromagnetic modes has opened new possibilities for their use in quantum optics and quantum information science. These ONFs offer tight optical mode confinement (less than the wavelength of light) and diffraction-free propagation. The small cross section of the transverse field allows probing of linear and non-linear spectroscopic features of atoms with exquisitely low power. The cooperativity -- the figure of merit in many quantum optics and quantum information systems -- tends to be large even for a single atom in the mode of an ONF, as it is proportional to the ratio of the atomic cross section to the electromagnetic mode cross section. ONFs offer a natural bus for information and for inter-atomic coupling through the tightly-confined modes, which opens the possibility of one-dimensional many-body physics and interesting quantum interconnection applications. The presence of the ONF modifies the vacuum field, affecting the spontaneous emission rates of atoms in its vicinity. The high gradients in the radial intensity naturally provide the potential for trapping atoms around the ONF, allowing the creation of one-dimensional arrays of atoms. The same radial gradient in the transverse direction of the field is responsible for the existence of a large longitudinal component that introduces the possibility of spin-orbit coupling of the light and the atom, enabling the exploration of chiral quantum optics.

研究动机与目标

• 确立光学纳米纤维（ONFs）作为可扩展、低损耗的量子光学与量子信息处理平台。
• 展示原子-ONF系统中高合作性与光学深度，即使在单个原子情况下也能实现强耦合。
• 探索并利用ONF中的纵向场分量与自旋-轨道耦合，实现手性量子光学。
• 通过导波模式实现一维原子阵列，用于多体量子物理与长程相互作用研究。
• 开发实际应用，如基于原子-ONF接口的单光子隔离器与光学生存器。

提出的方法

• 利用亚波长直径光学纳米纤维的倏逝场与附近原子耦合，实现强原子-光子相互作用。
• 采用合作性参数 $ C_1 = \frac{g^2}{\kappa\gamma} $ 量化原子-光子耦合强度，即使在单个原子情况下也实现 $ C_1 > 1 $。
• 利用ONF模式的径向强度梯度构建光镊，实现冷原子的稳定一维阵列。
• 利用高阶模式与工程化波导控制光的偏振与方向性，实现手性光子发射。
• 应用色散光谱测量与透射测量技术，探测被捕获原子的场-相互作用与相干性。
• 将ONFs与高品质因子微谐振腔集成，增强耦合强度，实现强单原子相互作用，用于电磁感应透明（EIT）与光学生存器应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学纳米纤维如何在单个原子情况下实现高合作性与光学深度，从而在量子光学中实现强耦合？
• RQ2 纵向电场分量在实现手性量子光学与定向光子发射中发挥何种作用？
• RQ3 ONFs能否通过导波模式支持长程、相干的原子-原子相互作用？其相干时间限制为何？
• RQ4 如何利用光的自旋-轨道耦合控制原子-ONF系统中光子发射的方向性？
• RQ5 基于ONF的量子接口在量子信息与电信领域中的实际极限与潜在应用是什么？

主要发现

• 由于极端模式限制，光学纳米纤维实现了单原子合作性 $ C_1 > 1 $，在极低光功率下即可实现强耦合。
• ONF模式的径向强度梯度提供了稳定的光镊，可实现冷原子的高空间控制一维阵列。
• ONF场的纵向分量引入了自旋-轨道耦合，实现了手性量子光学与光子的定向发射。
• 实验表明，利用自旋-轨道耦合的纳米光子波导可实现高达94%的光散射方向性，从而实现单光子隔离器。
• ONF介导的相互作用实现了高保真度的电磁感应透明（EIT）与光学生存器，通过强耦合至WGM微谐振腔实现。
• 该系统实现了具有手性 reservoir 的级联量子开放系统，为研究非马尔可夫动力学与量子输运开辟了新途径。