[论文解读] Probing the indistinguishability of single photons generated by Rydberg atomic ensembles

Auxiliadora Padrón-Brito, Jan Lowinski+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2020

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 44被引用 18

一句话总结

本研究通过Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉测量，探究了基于Rydberg原子系综利用两种激发方案——非共振双光子激发（OR）和Rydberg电磁感应透明度（EIT）——所产生的单光子的不可分辨性。通过将生成的光子与弱相干态（WCS）进行HOM干涉，作者在小探测窗口下实现了高达98%的不可分辨性，且OR方案显著优于EIT方案，表明该方法可为量子网络提供高保真度光学生态量子比特。

ABSTRACT

We investigate the indistinguishability of single photons retrieved from collective Rydberg excitations in cold atomic ensembles. The Rydberg spin waves are created either by off resonant two-photon excitation to the Rydberg state or by Rydberg electromagnetically induced transparency. To assess the indistinguishability of the generated single photons, we perform Hong-Ou-Mandel experiments between the single photons and weak coherent states of light. We analyze the indistinguishability of the single photons as a function of the detection window and for photons generated by off-resonant excitation we infer high value of indistinguishability going from 89% for the full waveform to 98% for small detection windows. In the same way, we also investigate for the first time the indistinguishability of single photons generated by Rydberg EIT, showing values lower than those corresponding to single photons generated by off-resonant excitation. These results are relevant for the use of Rydberg atoms as quantum network nodes.

研究动机与目标

• 评估通过Rydberg原子系综使用两种不同激发机制——非共振双光子激发（OR）和Rydberg电磁感应透明度（EIT）——生成的单光子的不可分辨性。
• 测量不可分辨性随探测窗口持续时间的变化，以评估发射光子的完整时间波形。
• 比较OR与EIT方案在生成不可分辨单光子方面的性能，这对远程纠缠和量子中继等量子网络应用至关重要。
• 识别并分析EIT方案中导致不可分辨性降低的主要原因，特别是退相干和光子污染问题。

提出的方法

• 在光镊中使用冷87Rb原子系综，光学深度约为6，制备于|5S1/2, F=2⟩基态。
• 采用非共振双光子激发（OR）和Rydberg EIT生成集体Rydberg自旋波，双光子失谐固定在接近零的位置。
• 利用50:50分束器，对Rydberg系综产生的单光子与弱相干态（WCS）脉冲进行Hong-Ou-Mandel（HOM）干涉。
• 测量HOM可见度随探测窗口大小的变化，使用可见度公式：V = 1 - p_ind / p_d，其中p_ind和p_d分别为不可分辨和可分辨输入的符合概率。
• 从可见度计算不可分辨因子η，考虑单光子探测效率、WCS光子数以及g(2)(0)，以隔离不可分辨性的影响。
• 分析二阶自相关函数g(2)_Δt，以表征不同探测窗口下的光子统计特性与不可分辨性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过Rydberg原子系综中非共振双光子激发（OR）生成的单光子，其不可分辨性程度如何？
• RQ2 通过Rydberg EIT生成的光子与OR生成的光子相比，其不可分辨性如何？
• RQ3 探测窗口大小如何影响所测得的单光子不可分辨性？
• RQ4 与OR方案相比，EIT方案中导致不可分辨性降低的主要原因是什么？
• RQ5 发射光子的完整时间波形是否可在量子干涉实验中有效使用，而不会造成不可分辨性的显著损失？

主要发现

• 非共振双光子激发（OR）方案在单光子完整时间波形下实现了89%的不可分辨性，可见度受限于探测窗口和光子统计特性。
• 在小探测窗口下，OR方案最高实现98%的不可分辨性，表明发射光子具有高相干性和优良的时间质量。
• Rydberg EIT方案的不可分辨性较低，完整波形下为72%，小窗口下为87%，表明其光子质量相比OR方案有所下降。
• EIT生成光子不可分辨性降低的原因归因于散射引起的退相干以及光子污染物的产生，而这些在OR方案中不那么显著。
• 尽管EIT方案的不可分辨性较低，但其光子在整个脉冲持续时间内仍保持高度不可分辨，支持其在需要高可见度的量子通信协议中的应用。
• 当探测窗口扩展至捕获完整光子波形时，有效不可分辨性降低，但光子仍适用于对高保真度干涉有要求的应用，尤其是经过优化的窗口选择后。