Schema sperimentale della produzione di fotoni da uno ione 138Ba+, QFC, e rallentamento fotonico in un vapore neutro caldo di 87Rb. (A) I livelli di energia di 138Ba+ e schematico che mostra lo ione confinato in una trappola a lama segmentata. Un AOM attivato da impulsi TTL controlla una luce di eccitazione da 650 nm. (B) La configurazione QFC inclusa una guida d'onda PPLN. Luce convertita, 0, è alla differenza di frequenza tra i fotoni emessi dallo ione a ion e i fotoni della pompa a pump. L'uscita del PPLN è accoppiata in fibra a una fibra monomodale che mantiene la polarizzazione (PM-SMF). Una serie di filtri e un reticolo di Bragg filtrano la luce della pompa e la luce non convertita da 493 nm, che riduce la quantità di rumore anti-Stokes. (C) Un diagramma del livello di energia di 87Rb e una cella di vapore alloggiata all'interno di un riscaldatore attraverso il quale passano singoli fotoni convertiti. (D) I fotoni vengono rilevati su un APD, e un TCSPC raccoglie l'ora di arrivo dei fotoni rispetto al TTL inviato all'AOM. Come esempio, Sono mostrate le forme temporali di un singolo fotone a 493 nm (cerchi blu) e i fotoni convertiti in frequenza dopo aver attraversato la cella a temperatura ambiente (cerchi rossi). Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4651
Le reti quantistiche possono essere praticamente implementate per interfacciarsi con diversi sistemi quantistici. Al fine di collegare fotonicamente sistemi ibridi con proprietà uniche combinate di ciascun sistema costituente, gli scienziati devono integrare sorgenti con la stessa lunghezza d'onda di emissione di fotoni. Ad esempio, Gli ioni intrappolati e gli atomi neutri possono entrambi avere proprietà convincenti come nodi e memorie all'interno di reti quantistiche, ma senza collegamento fotonico a causa delle loro lunghezze d'onda operative molto diverse. In un recente rapporto su Progressi scientifici , J.D. Siverns e colleghi del Joint Quantum Institute, Il Dipartimento di Fisica e il Laboratorio di Ricerca dell'Esercito negli Stati Uniti hanno dimostrato la prima interazione tra atomi neutri e fotoni emessi da un singolo ione intrappolato.
Per realizzare questo, hanno usato Rubidio ( 87 Rb) vapore per ritardare l'origine dei fotoni da un bario intrappolato ( 138 Ba + ) ione fino a 13,5 ± 0,5 nanosecondi (ns). I ricercatori hanno utilizzato la conversione di frequenza quantistica (QFC) per superare la differenza di frequenza tra lo ione e gli atomi neutri durante il processo. Hanno messo a punto il ritardo e preservato il profilo temporale dei fotoni e hanno fornito i risultati come interfaccia fotonica ibrida con applicazioni come strumento di sincronizzazione fondamentale per le reti quantistiche su larga scala in futuro.
Per stabilire reti quantistiche scalabili, i fisici devono integrare componenti quantistiche disparate. I ricercatori avevano precedentemente collegato sistemi quantistici fotonici per formare piattaforme ibride con singoli atomi, condensati di Bose-Einstein, sistemi allo stato solido, vapori atomici e insiemi atomici. I progressi nelle reti ibride sono in genere focalizzati sui casi in cui la lunghezza d'onda del fotone nativo di ciascun sistema è la stessa per definizione, o tramite l'ingegnerizzazione diretta della sorgente di fotoni stessa. In una rete pratica, è improbabile che requisiti così rigorosi vengano raggiunti, poiché i fotoni emessi dai dispositivi esistenti nelle tecnologie di comunicazione quantistica variano in un ampio spettro di fotoni. Per evitare la mancata corrispondenza spettrale, i ricercatori possono introdurre la conversione di frequenza quantistica (QFC) per convertire la frequenza di un fotone in un'altra frequenza preservandone le proprietà quantistiche. Un sistema ibrido che combina le caratteristiche desiderabili di diversi componenti può aiutare a realizzare uno strumento di networking quantistico praticabile.
Assorbimento, indice di rifrazione, e velocità di gruppo all'interno di un vapore caldo di 87Rb. (A) Profilo di assorbimento della linea 87Rb D2 utilizzando 780 nm ottenuto tramite QFC da una luce laser a 493 nm con la cella a temperatura ambiente. L'intervallo di sintonizzazione senza modalità del laser della pompa limita l'intervallo di sintonizzazione della frequenza. L'indice di rifrazione (B) e la velocità di gruppo (C) in prossimità dei due picchi di assorbimento in funzione della desintonizzazione dalla trasmissione del picco, , a 373 K (blu) e 423 K (rosso). DFG; generazione di frequenze differenziate. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4651
Gli ioni intrappolati sono forti candidati per i nodi di comunicazione a causa della loro lunga durata dei qubit e dell'entanglement ione-fotone ad alta fedeltà. Gli atomi neutri sono sistemi quantistici versatili utili come memorie, supporti di memorizzazione dei fotoni o per il ritardo dei fotoni sintonizzabile rallentando la luce. Investire nel design, il controllo e lo sviluppo di ioni intrappolati e tecnologie quantistiche neutre hanno prodotto notevoli progressi nelle reti quantistiche, informatica, metrologia e simulazione. I ricercatori usano comunemente vapori di atomi neutri e atomi intrappolati magneto-otticamente come mezzi a luce lenta per impulsi di luce o per singoli fotoni. Il rallentamento della luce per i ritardi fotonici sintonizzabili è utile per la sincronizzazione dei fotoni per implementare protocolli di rete utilizzando l'interferenza fotonica. Nel presente lavoro, Sivern et al. ha dimostrato la prima interazione tra atomi neutri e fotoni emessi da uno ione rallentando i fotoni generati da un singolo ione intrappolato all'interno di un vapore di atomo neutro.
Per creare un mezzo con bassa velocità di gruppo per la lenta propagazione della luce all'interno dei vapori atomici, il team di ricerca ha utilizzato fotoni con una frequenza compresa tra due risonanze di assorbimento di un mezzo. Hanno studiato le due risonanze di assorbimento usando la trasparenza indotta elettromagneticamente (EIT) o la risonanza lontana. Sivern et al. usato due D 2 risonanze di assorbimento stabilite tramite la suddivisione iperfine dello stato fondamentale di 87 Rb con un setup sperimentale meno complesso rispetto ai metodi EIT, che richiedeva solo singoli fotoni alla frequenza corretta. I ricercatori hanno quindi derivato la velocità di gruppo dei fotoni emessi da Ba + ioni dopo QFC (conversione quantistica di frequenza). Hanno sintonizzato la frequenza ottica del fotone per ottenere un massimo nella trasmissione e una velocità di gruppo notevolmente ridotta. Sivern et al. sintonizzato il ritardo del fotone modificando la densità del numero atomico (N).
Rapporto segnale-rumore (SNR) misurato dopo il filtraggio del segnale ionico convertito in frequenza. La curva arancione è l'SNR date le efficienze di conversione misurate e il rumore ad ogni potenza della pompa. Riquadro:Efficienza di conversione misurata (nero) e conteggi del rumore misurati (rosso) sull'APD in funzione della potenza della pompa. La curva nera è un adattamento teorico ai dati di efficienza, e la curva rossa è un adattamento empirico al rumore. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4651
Come sorgente dei singoli fotoni da 493 nm, il gruppo di ricerca utilizzato 138 Ba + ioni, che hanno intrappolato applicando tensioni a lame segmentate alloggiate in una camera a vuoto ultraelevato. Hanno raccolto i fotoni usando una lente ad apertura numerica (NA) 0,4; la fibra li ha accoppiati e li ha inviati alla configurazione QFC. Il team di ricerca ha accoppiato i fotoni di una frequenza specifica con un laser a pompa per formare una frequenza diversa vicino a 1343 nm, che hanno accoppiato in una guida d'onda di niobato di litio (PPLN) periodicamente polarizzata per la generazione di frequenze differenziate (DFG). Dopo aver sintonizzato la frequenza del laser della pompa, il team ha prodotto fotoni a 780 nm con una frequenza compresa tra due risonanze di assorbimento ottico per implementare la luce lenta. Gli scienziati hanno mostrato l'efficienza di conversione del dispositivo PPLN in funzione della potenza della pompa accoppiata alla guida d'onda.
Forme dei fotoni temporali normalizzati per area. Forme temporali normalizzate per area di fotoni convertiti in frequenza che sono passati attraverso una cella di vapore calda da 87 Rb. La temperatura della cella a vapore 87Rb è impostata sui valori indicati. La densità ottica (OD) del vapore caldo è indicata per ciascuna temperatura, ad una frequenza ω0, e usando la stessa densità atomica, N. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4651
Sivern et al. massimizzato il rapporto segnale-rumore (SNR) della luce convertita invece di utilizzare la quantità totale di luce convertita. Hanno convertito i fotoni da 493 nm utilizzando DFG (generazione di frequenza differenziale) per sintonizzare la frequenza ottica della pompa. Gli scienziati hanno accoppiato l'output del PPLN a una fibra monomodale da 800 nm per catturare fotoni da 780 nm e filtrare spazialmente le altre modalità. Dopo aver filtrato i fotoni, il team di ricerca li ha inviati attraverso una cella di vetro riscaldata lunga 75 mm riempita con arricchito 87 Rb, che hanno rilevato utilizzando un fotodiodo da valanga (APD). Quando i fotoni sono passati attraverso la cella al rubidio a temperatura ambiente, il loro assorbimento e dispersione hanno ridotto il rapporto segnale-rumore a ~6. Per misurare la forma temporale, hanno registrato l'ora di arrivo dei fotoni all'APD, relativo al modulatore acustico-ottico di eccitazione (AOM) a 650 nm e all'impulso logico transistor-transistor (TTL) con un impulso correlato al tempo, contatore a singolo fotone con una risoluzione di 512 picosecondi (ps). Con una maggiore densità atomica della cella di vapore, l'SNR è diminuito monotonicamente per avvicinarsi a ~ 1 a 395 K. Nonostante un SNR più basso, i ritardi dei fotoni sono rimasti chiaramente visibili.
Il team di ricerca ha determinato il ritardo del fotone spostando temporaneamente ogni fotone ritardato in modo che si sovrapponga a una forma di fotone a temperatura ambiente. Gli scienziati hanno notato i fotoni emessi dal Ba + ione e la deriva del laser della pompa per influenzare la stabilità della frequenza ottica dei fotoni convertiti. Mirano ad aumentare i ritardi dei fotoni e migliorare la trasmissione aumentando l'indice di rifrazione non lineare nel vapore utilizzando metodi avanzati come l'EIT (trasparenza indotta elettromagneticamente) in futuro.
Ritardo dei fotoni a conversione di frequenza emessi dallo ione Ba+ intrappolato dopo il passaggio attraverso una cella a vapore da 87Rb in funzione della temperatura della cella. La curva della teoria tratteggiata è una versione in scala dell'equazione derivata nel lavoro per tenere conto di N. Le barre di errore di temperatura e ritardo sono dovute alle fluttuazioni di temperatura nel corso dell'esperimento e alla larghezza del contenitore dei dati del tempo di arrivo del fotone dell'istogramma, rispettivamente. Riquadro:sovrapposizione di forme temporali di fotoni trasmessi attraverso una cella a temperatura ambiente da 296 K (cerchi verdi) e una cella da 395 K (cerchi rossi). Il relativo ritardo tra le due tracce è stato rimosso per consentire il confronto. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aav4651
In questo modo, JD Siverns e colleghi hanno dimostrato le prime interazioni di fotoni emessi da uno ione intrappolato con un sistema di atomi neutri. Hanno rallentato sperimentalmente i fotoni convertiti in frequenza emessi da uno ione intrappolato all'interno di una cella a vapore di rubidio caldo. Il team ha osservato ritardi sintonizzabili fino a 13,5 ± 0,5 ns con una dispersione di temperatura trascurabile dei fotoni. Il lavoro di ricerca ha facilitato un sistema ideale da utilizzare come dispositivo per sincronizzare in modo sintonizzabile i nodi quantistici remoti in una rete quantistica ibrida.
Il nuovo approccio offrirà un percorso verso porte quantistiche fotoniche tra ioni remoti e atomi neutri, dove ogni sistema può emettere indipendentemente fotoni di profilo comparabile. Il lavoro aprirà anche la strada al futuro trasferimento di stato quantistico tra ioni e atomi neutri per facilitare esperimenti, distribuzione dell'entanglement fotonico dell'atomo ione-neutro, e l'immagazzinamento fotonico di qubit volanti emessi da ioni intrappolati combinati con quelli esistenti, tecnologie atomiche avanzate.
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