Esquema experimental da produção de fótons a partir de um íon 138Ba +, QFC, e desaceleração fotônica em um vapor 87Rb neutro e quente. (A) Os níveis de energia de 138Ba + e esquemático mostrando o íon confinado em uma armadilha de lâmina segmentada. Um AOM ativado por pulso TTL controla uma luz de excitação de 650 nm. (B) A configuração QFC incluindo um guia de ondas PPLN. Luz convertida, ω0, está na diferença de frequência entre os fótons emitidos pelo íon em ωion e os fótons da bomba em ωpump. A saída do PPLN é fibra acoplada a uma fibra monomodo de manutenção de polarização (PM-SMF). Uma série de filtros e uma grade de Bragg filtram a luz e a luz não convertida de 493 nm, o que reduz a quantidade de ruído anti-Stokes. (C) Um diagrama de nível de energia 87Rb e uma célula de vapor alojada dentro de um aquecedor através do qual passam fótons únicos convertidos. (D) Os fótons são detectados em um APD, e um TCSPC coleta o tempo de chegada dos fótons em relação ao TTL enviado ao AOM. Como um exemplo, formas temporais de fóton único em 493 nm (círculos azuis) e fótons convertidos em frequência após passarem pela célula em temperatura ambiente (círculos vermelhos) são mostrados. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
As redes quânticas podem ser implementadas de forma prática para fazer interface com diferentes sistemas quânticos. A fim de vincular fotonicamente sistemas híbridos com propriedades únicas combinadas de cada sistema constituinte, os cientistas devem integrar fontes com o mesmo comprimento de onda de emissão de fótons. Por exemplo, íons aprisionados e átomos neutros podem ter propriedades atraentes como nós e memórias dentro de redes quânticas, mas sem ligação fotônica devido aos seus comprimentos de onda operacionais muito diferentes. Em um relatório recente sobre Avanços da Ciência , J.D. Siverns e colegas do Joint Quantum Institute, O Departamento de Física e o Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA demonstraram a primeira interação entre átomos neutros e fótons emitidos por um único íon aprisionado.
Para conseguir isso, eles usaram rubídio ( 87 Rb) vapor para atrasar a origem dos fótons de um Bário aprisionado ( 138 BA + ) íon em até 13,5 ± 0,5 nanossegundos (ns). Os pesquisadores usaram a conversão de frequência quântica (QFC) para superar a diferença de frequência entre o íon e os átomos neutros durante o processo. Eles ajustaram o atraso e preservaram o perfil temporal dos fótons e entregaram os resultados como uma interface fotônica híbrida com aplicativos como uma ferramenta de sincronização crítica para redes quânticas de grande escala no futuro.
Para estabelecer redes quânticas escaláveis, os físicos devem integrar componentes quânticos díspares. Os pesquisadores já haviam ligado sistemas quânticos fotônicos para formar plataformas híbridas com átomos individuais, Condensados de Bose-Einstein, sistemas de estado sólido, vapores atômicos e conjuntos atômicos. O progresso na rede híbrida é normalmente focado em casos em que o comprimento de onda do fóton nativo de cada sistema é o mesmo por definição, ou via engenharia direta da própria fonte de fótons. Em uma rede prática, tais requisitos estritos são improváveis de serem alcançados, já que os fótons emitidos por dispositivos existentes nas tecnologias de comunicação quântica variam em um amplo espectro de fótons. Para evitar incompatibilidade espectral, os pesquisadores podem introduzir a conversão de frequência quântica (QFC) para converter a frequência de um fóton em outra frequência, preservando suas propriedades quânticas. Um sistema híbrido que combina os recursos desejáveis de diferentes componentes pode ajudar a realizar uma ferramenta de rede quântica viável.
Absorção, índice de refração, e a velocidade do grupo dentro de um vapor quente de 87Rb. (A) Perfil de absorção da linha 87Rb D2 usando 780 nm obtido via QFC de um laser de 493 nm com a célula em temperatura ambiente. A faixa de sintonia sem salto de modo do laser da bomba limita a faixa de sintonia de frequência. O índice de refração (B) e a velocidade do grupo (C) na vizinhança dos dois picos de absorção como uma função da dessintonização do pico de transmissão, δ, a 373 K (azul) e 423 K (vermelho). DFG; geração de frequência de diferença. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Íons presos são fortes candidatos para nós de comunicação devido ao seu longo tempo de vida do qubit, bem como ao entrelaçamento íon-fóton de alta fidelidade. Os átomos neutros são sistemas quânticos versáteis úteis como memórias, mídia de armazenamento de fótons ou para retardo de fótons sintonizável ao reduzir a velocidade da luz. Investindo no design, controle e desenvolvimento de íons aprisionados e tecnologias quânticas neutras produziram um progresso notável na rede quântica, Informática, metrologia e simulação. Os pesquisadores geralmente usam vapores de átomos neutros e átomos aprisionados magneto-opticamente como meio de luz lenta para pulsos de luz ou para fótons únicos. Diminuir a luz para atrasos fotônicos sintonizáveis é útil para a sincronização de fótons para implementar protocolos de rede usando interferência fotônica. No presente trabalho, Siverns et al. demonstrou a primeira interação entre átomos neutros e fótons emitidos por um íon, diminuindo a velocidade dos fótons gerados a partir de um único íon preso dentro de um vapor de átomo neutro.
Para criar um meio com baixa velocidade de grupo para propagação lenta de luz dentro de vapores atômicos, a equipe de pesquisa usou fótons com uma frequência entre duas ressonâncias de absorção de um meio. Eles investigaram as duas ressonâncias de absorção usando transparência induzida eletromagneticamente (EIT) ou ressonância distante. Siverns et al. usou dois D 2 ressonâncias de absorção estabelecidas através da divisão hiperfina do estado fundamental de 87 Rb com uma configuração experimental menos complexa em comparação aos métodos EIT, que exigia apenas fótons únicos na frequência correta. Os pesquisadores então derivaram a velocidade de grupo dos fótons emitidos do Ba + íons após QFC (conversão de frequência quântica). Eles ajustaram a frequência óptica do fóton para atingir o máximo na transmissão e reduzir bastante a velocidade do grupo. Siverns et al. ajustou o atraso do fóton alterando a densidade do número atômico (N).
Relação sinal-ruído (SNR) medida após a filtragem do sinal de íon convertido em frequência. A curva laranja é o SNR, dadas as eficiências de conversão medidas e o ruído em cada potência da bomba. Detalhe:Eficiência de conversão medida (preto) e contagens de ruído medidas (vermelho) no APD como uma função da potência da bomba. A curva preta é um ajuste teórico aos dados de eficiência, e a curva vermelha é um ajuste empírico ao ruído. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Como a fonte dos fótons únicos de 493 nm, a equipe de pesquisa usou 138 BA + íons, que eles capturaram aplicando tensões a lâminas segmentadas alojadas em uma câmara de vácuo ultra-alta. Eles coletaram os fótons usando uma lente de abertura numérica de 0,4 (NA); a fibra os acoplou e os enviou para a configuração do QFC. A equipe de pesquisa acoplou os fótons de uma frequência específica com uma bomba de laser para formar uma frequência diferente perto de 1343 nm, que eles acoplaram em um guia de onda de niobato de lítio periodicamente polido (PPLN) para geração de frequência de diferença (DFG). Depois de ajustar a frequência do laser da bomba, a equipe produziu fótons de 780 nm com uma frequência entre duas ressonâncias de absorção óptica para implementar luz lenta. Os cientistas mostraram a eficiência de conversão do dispositivo PPLN em função da potência da bomba acoplada ao guia de ondas.
Formas de fótons temporais com área normalizada. Formas temporais de área normalizada de fótons convertidos em frequência que passaram por uma célula de vapor 87Rb quente. A temperatura da célula de vapor 87Rb é definida para os valores indicados. A densidade óptica (OD) do vapor quente é indicada para cada temperatura, a uma frequência ω0, e usando a mesma densidade atômica, N. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Siverns et al. maximizou a relação sinal-ruído (SNR) da luz convertida em vez de usar a quantidade total de luz convertida. Eles converteram os fótons de 493 nm usando DFG (geração de diferença de frequência) para ajustar a frequência óptica da bomba. Os cientistas acoplaram a saída do PPLN a uma fibra monomodo de 800 nm para capturar fótons de 780 nm e filtrar espacialmente os outros modos. Ao filtrar os fótons, a equipe de pesquisa os enviou através de uma célula de vidro aquecida de 75 mm cheia de 87 Rb, que eles detectaram usando um fotodiodo de avalanche (APD). Quando os fótons passaram pela célula de rubídio em temperatura ambiente, sua absorção e espalhamento diminuíram a razão sinal-ruído para ~ 6. Para medir a forma temporal, eles registraram o tempo de chegada dos fótons no APD, em relação ao modulador óptico-acústico de excitação de 650 nm (AOM) e pulso lógico transistor-transistor (TTL) com um tempo correlacionado, contador de fóton único com resolução de 512 picossegundos (ps). Com o aumento da densidade atômica da célula de vapor, o SNR diminuiu monotonicamente para se aproximar de ~ 1 em 395 K. Apesar do SNR mais baixo, os atrasos dos fótons permaneceram claramente visíveis.
A equipe de pesquisa determinou o atraso do fóton deslocando temporariamente cada fóton atrasado para se sobrepor a uma forma de fóton em temperatura ambiente. Os cientistas notaram os fótons emitidos pelo Ba + íon e a deriva da bomba de laser para impactar a estabilidade da frequência óptica dos fótons convertidos. Eles visam aumentar os atrasos dos fótons e melhorar a transmissão, aumentando o índice de refração não linear no vapor usando métodos avançados, como EIT (transparência induzida eletromagneticamente) no futuro.
Atraso dos fótons convertidos em frequência emitidos do íon Ba + preso após passar por uma célula de vapor 87Rb em função da temperatura da célula. A curva da teoria tracejada é uma versão em escala da equação derivada no trabalho para dar conta de N. As barras de erro de temperatura e atraso são devidas a flutuações de temperatura ao longo do experimento e a largura do compartimento dos dados de tempo de chegada do fóton do histograma, respectivamente. Detalhe:sobreposição de formas temporais de fótons transmitidos através de uma célula 296-K em temperatura ambiente (círculos verdes) e uma célula 395-K (círculos vermelhos). O atraso relativo entre os dois rastreios foi removido para permitir a comparação. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Desta maneira, J.D. Siverns e colegas demonstraram as primeiras interações de fótons emitidos por um íon aprisionado com um sistema de átomo neutro. Eles reduziram experimentalmente os fótons convertidos em frequência emitidos por um íon aprisionado em uma célula de vapor de rubídio quente. A equipe observou atrasos sintonizáveis de até 13,5 ± 0,5 ns com dispersão de temperatura insignificante dos fótons. O trabalho de pesquisa facilitou um sistema ideal para uso como um dispositivo para sincronizar nodos quânticos remotos de forma sintonizável em uma rede quântica híbrida.
A nova abordagem oferecerá um caminho para portas quânticas fotônicas entre íons remotos e átomos neutros, onde cada sistema pode emitir independentemente fótons de um perfil comparável. O trabalho também abrirá o caminho para a futura transferência de estado quântico entre íons e átomos neutros para facilitar experimental, distribuição de emaranhamento fotônico de átomo neutro de íon, e armazenamento fotônico de qubits voadores emitidos de íons aprisionados combinados com os existentes, tecnologias de átomo avançadas.
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