[论文解读] Quantum gate for Q switching in monolithic photonic bandgap cavities containing two-level atoms

Andrew D. Greentree, J. Salzman+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2005

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于可调两能级原子的固态量子门，用于在单片式光子禁带腔中实现Q开关，其中控制原子通过共振耦合调制光子向波导的传输。该方案通过绝热调节原子跃迁频率以触发光子释放，实现了按需、变换极限的单光子发射，保真度高，剩余布居数为10⁻⁴，开关时间约为1 ns。

ABSTRACT

Photonic bandgap cavities are prime solid-state systems to investigate light-matter interactions in the strong coupling regime. However, as the cavity is defined by the geometry of the periodic dielectric pattern, cavity control in a monolithic structure can be problematic. Thus, either the state coherence is limited by the read-out channel, or in a high Q cavity, it is nearly decoupled from the external world, making measurement of the state extremely challenging. We present here a method for ameliorating these difficulties by using a coupled cavity arrangement, where one cavity acts as a switch for the other cavity, tuned by control of the atomic transition.

研究动机与目标

• 为解决在单片式固态系统中控制高品质因子光子禁带腔的挑战，其中强耦合限制了外部接入和测量。
• 开发一种可扩展的全固态方案，用于生成按需单光子，适用于量子信息器件。
• 在不使用机械或热致动的情况下，实现单片式光子禁带腔的Q开关，仅通过外部场调节原子频率。
• 展示一种实用且实验上可行的架构，利用金刚石基光子晶体中的氮-vacancy中心。

提出的方法

• 采用耦合腔系统，其中一个腔作为存储腔，另一个作为可调谐的门腔，两者均包含一个单两能级原子。
• 光子在腔间的跃迁通过倏逝耦合介导，门腔与波导耦合以实现光子输出。
• 通过外部斯塔克位移调节门腔中原子跃迁频率，实现对共振条件的动态控制。
• 绝热调节原子频率使门腔与存储腔共振，触发光子快速转移至波导。
• 系统通过含拉比耦合项和衰减率的哈密顿量建模，动力学在旋转波近似下求解。
• 该方案依赖于良好腔极限，即光子损耗主要由向波导的跃迁主导，而非本征腔体衰减。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅通过后处理阶段对原子跃迁频率的调控，有效实现单片式光子禁带腔的Q开关？
• RQ2 在无机械或热致执行器的固态腔量子电动力学系统中，如何实现高保真度、按需的单光子发射？
• RQ3 为实现高效、绝热的光子转移并最小化剩余布居数，所需的耦合和衰减参数应为何值？
• RQ4 该方案是否可在如金刚石中氮-vacancy中心这样的实用平台中实现？

主要发现

• 在未开关状态下，存储腔的剩余布居数为10⁻⁴，确保了保持阶段的极低漏出。
• 光子释放约在1 ns内完成，对应开关时间为1/𝐽 ≈ 10⁻⁹ s，总开关持续时间为2×10⁴π/Ω。
• 当Ω = 10¹⁰ Hz时，所需失谐δ ≤ 10¹² Hz，满足κcq/δ ≤ 10⁻²，从而保证绝热条件。
• 存储腔Q值约为10⁵，门腔Q值约为10⁴，该参数在当前工艺能力下可实现于金刚石基光子晶体中。
• 在实际参数下系统保持鲁棒性，通过放宽绝热性要求并增大失谐，可在较低Q值下实现原理性操作。
• 所提出的架构在实验上可行，利用金刚石中的氮-vacancy中心，其斯塔克调谐范围约10¹² Hz，超过所需调谐窗口。