Schéma expérimental de production de photons à partir d'un ion 138Ba+, QFC, et le ralentissement photonique dans une vapeur neutre chaude de 87Rb. (A) Les niveaux d'énergie de 138Ba + et schéma montrant l'ion confiné dans un piège à lame segmentée. Un AOM activé par impulsion TTL contrôle une lumière d'excitation de 650 nm. (B) La configuration QFC comprenant un guide d'ondes PPLN. Lumière convertie, 0, est à la différence de fréquence entre les photons émis par l'ion à ion et les photons de pompe à ωpompe. La sortie du PPLN est une fibre couplée à une fibre monomode à maintien de polarisation (PM-SMF). Une série de filtres et un réseau de Bragg filtrent la lumière de la pompe et la lumière non convertie de 493 nm, ce qui réduit la quantité de bruit anti-Stokes. (C) Un diagramme de niveau d'énergie 87Rb et une cellule à vapeur logée à l'intérieur d'un appareil de chauffage à travers lequel passent les photons uniques convertis. (D) Les photons sont détectés sur un APD, et un TCSPC collecte l'heure d'arrivée des photons par rapport au TTL envoyé à l'AOM. Par exemple, les formes temporelles à photon unique à 493 nm (cercles bleus) et les photons convertis en fréquence après avoir traversé la cellule à température ambiante (cercles rouges) sont affichés. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav4651
Les réseaux quantiques peuvent être implémentés dans la pratique pour s'interfacer avec différents systèmes quantiques. Afin de lier photoniquement des systèmes hybrides avec des propriétés uniques combinées de chaque système constitutif, les scientifiques doivent intégrer des sources ayant la même longueur d'onde d'émission de photons. Par exemple, les ions piégés et les atomes neutres peuvent tous deux avoir des propriétés intéressantes en tant que nœuds et mémoires au sein des réseaux quantiques, mais sans liaison photonique en raison de leurs longueurs d'onde de fonctionnement très différentes. Dans un récent rapport sur Avancées scientifiques , J.D. Siverns et ses collègues du Joint Quantum Institute, Le département de physique et le Army Research Laboratory aux États-Unis ont démontré la première interaction entre des atomes neutres et des photons émis par un seul ion piégé.
Pour y parvenir, ils ont utilisé Rubidium ( 87 Rb) vapeur pour retarder l'origine des photons d'un baryum piégé ( 138 Ba + ) jusqu'à 13,5 ± 0,5 nanosecondes (ns). Les chercheurs ont utilisé la conversion de fréquence quantique (QFC) pour surmonter la différence de fréquence entre l'ion et les atomes neutres au cours du processus. Ils ont ajusté le délai et préservé le profil temporel des photons et ont livré les résultats sous forme d'interface photonique hybride avec des applications en tant qu'outil de synchronisation essentiel pour les réseaux quantiques à grande échelle à l'avenir.
Pour établir des réseaux quantiques évolutifs, les physiciens doivent intégrer des composants quantiques disparates. Les chercheurs avaient auparavant lié des systèmes quantiques photoniques pour former des plates-formes hybrides avec des atomes uniques, condensats de Bose-Einstein, systèmes à semi-conducteurs, vapeurs atomiques et ensembles atomiques. Les progrès dans les réseaux hybrides se concentrent généralement sur les cas où la longueur d'onde des photons natifs de chaque système est la même par définition, ou via l'ingénierie directe de la source de photons elle-même. Dans un réseau pratique, il est peu probable que des exigences aussi strictes soient remplies, puisque les photons émis par les dispositifs existants dans les technologies de communication quantique varient sur un large spectre de photons. Pour éviter l'inadéquation spectrale, les chercheurs peuvent introduire la conversion de fréquence quantique (QFC) pour convertir la fréquence d'un photon en une autre fréquence tout en préservant ses propriétés quantiques. Un système hybride qui combine les caractéristiques souhaitables de différents composants peut aider à réaliser un outil de réseautage quantique viable.
Absorption, indice de réfraction, et la vitesse de groupe dans une vapeur chaude de 87Rb. (A) Profil d'absorption de la ligne 87Rb D2 à l'aide de 780 nm obtenu via QFC à partir d'une lumière laser de 493 nm avec la cellule à température ambiante. La plage de réglage sans saut de mode du laser à pompe limite la plage de réglage de fréquence. L'indice de réfraction (B) et la vitesse de groupe (C) au voisinage des deux pics d'absorption en fonction du désaccord par rapport au pic de transmission, , à 373 K (bleu) et 423 K (rouge). DFG ; génération de fréquence de différence. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav4651
Les ions piégés sont de bons candidats pour les nœuds de communication en raison de leur longue durée de vie des qubits ainsi que de l'intrication ion-photon haute fidélité. Les atomes neutres sont des systèmes quantiques polyvalents utiles comme mémoires, support de stockage de photons ou pour un délai de photons réglable en ralentissant la lumière. Investir dans la conception, le contrôle et le développement des technologies quantiques neutres et à ions piégés ont permis des progrès remarquables dans les réseaux quantiques, l'informatique, métrologie et simulation. Les chercheurs utilisent couramment des vapeurs d'atomes neutres et des atomes piégés magnéto-optiquement comme milieux de lumière lente pour les impulsions lumineuses ou pour les photons uniques. Le ralentissement de la lumière pour les retards photoniques réglables est utile pour la synchronisation des photons afin de mettre en œuvre des protocoles réseau utilisant des interférences photoniques. Dans le travail present, Siverns et al. a démontré la première interaction entre des atomes neutres et des photons émis par un ion en ralentissant les photons générés à partir d'un seul ion piégé dans une vapeur d'atome neutre.
Pour créer un milieu à faible vitesse de groupe pour une propagation lente de la lumière dans les vapeurs atomiques, l'équipe de recherche a utilisé des photons avec une fréquence comprise entre deux résonances d'absorption d'un milieu. Ils ont étudié les deux résonances d'absorption en utilisant la transparence induite électromagnétiquement (EIT) ou la résonance lointaine. Siverns et al. utilisé deux D
Rapport signal sur bruit (SNR) mesuré après filtrage du signal ionique converti en fréquence. La courbe orange est le SNR compte tenu des rendements de conversion mesurés et du bruit à chaque puissance de pompe. Encart : Efficacité de conversion mesurée (noir) et nombre de bruits mesurés (rouge) sur l'APD en fonction de la puissance de la pompe. La courbe noire est un ajustement théorique aux données d'efficacité, et la courbe rouge est un ajustement empirique au bruit. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav4651
En tant que source des photons uniques de 493 nm, l'équipe de recherche a utilisé 138 Ba + ions, qu'ils ont piégés en appliquant des tensions à des lames segmentées logées dans une chambre à ultravide. Ils ont collecté les photons à l'aide d'un objectif à ouverture numérique (NA) de 0,4 ; la fibre les a couplés et les a envoyés à la configuration QFC. L'équipe de recherche a couplé les photons d'une fréquence spécifique avec un laser de pompe pour former une fréquence différente proche de 1343 nm, qu'ils ont couplés dans un guide d'ondes de niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN) pour la génération de fréquence de différence (DFG). Après avoir réglé la fréquence du laser de pompe, l'équipe a produit des photons de 780 nm avec une fréquence comprise entre deux résonances d'absorption optique pour mettre en œuvre une lumière lente. Les scientifiques ont montré l'efficacité de conversion du dispositif PPLN en fonction de la puissance de pompage couplée au guide d'ondes.
Formes temporelles de photons normalisées en aire. Formes temporelles normalisées en aire des photons convertis en fréquence qui ont traversé une cellule de vapeur chaude de 87Rb. La température de la cellule vapeur 87Rb est réglée sur les valeurs indiquées. La densité optique (DO) de la vapeur chaude est indiquée pour chaque température, à une fréquence 0, et en utilisant la même densité atomique, N. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav4651
Siverns et al. maximisé le rapport signal sur bruit (SNR) de la lumière convertie au lieu d'utiliser la quantité totale de lumière convertie. Ils ont converti les photons de 493 nm en utilisant DFG (génération de fréquence de différence) pour régler la fréquence optique de la pompe. Les scientifiques ont couplé la sortie du PPLN à une fibre monomode de 800 nm pour capturer des photons de 780 nm et ont filtré spatialement les autres modes. En filtrant les photons, l'équipe de recherche les a envoyés à travers une cellule de verre chauffée de 75 mm de long remplie de 87 Rb, qu'ils ont détecté à l'aide d'une photodiode à avalanche (APD). Lorsque les photons ont traversé la cellule de rubidium à température ambiante, leur absorption et leur diffusion ont réduit le rapport signal/bruit à ~6. Pour mesurer la forme temporelle, ils ont enregistré l'heure d'arrivée des photons à l'APD, par rapport au modulateur optique-optique (AOM) d'excitation à 650 nm et à l'impulsion logique transistor-transistor (TTL) avec une corrélation temporelle, compteur monophotonique à une résolution de 512 picosecondes (ps). Avec une densité atomique accrue de la cellule de vapeur, le SNR a diminué de façon monotone pour approcher ~1 à 395 K. Malgré un SNR inférieur, les retards de photons sont restés clairement visibles.
L'équipe de recherche a déterminé le retard des photons en décalant temporellement chaque photon retardé pour qu'il chevauche une forme de photon à température ambiante. Les scientifiques ont noté les photons émis par le Ba + ion et la dérive du laser de pompe pour impacter la stabilité de la fréquence optique des photons convertis. Ils visent à augmenter les retards des photons et à améliorer la transmission en augmentant l'indice de réfraction non linéaire dans la vapeur à l'aide de méthodes avancées telles que l'EIT (transparence induite électromagnétiquement) à l'avenir.
Retard des photons convertis en fréquence émis par l'ion Ba+ piégé après passage dans une cellule à vapeur de 87Rb en fonction de la température de la cellule. La courbe théorique en pointillés est une version à l'échelle de l'équation dérivée dans le travail pour tenir compte de N. Les barres d'erreur de température et de retard sont dues aux fluctuations de température au cours de l'expérience et à la largeur du bac des données d'heure d'arrivée des photons de l'histogramme, respectivement. Encart :Chevauchement des formes temporelles des photons transmis à travers une cellule à température ambiante de 296 K (cercles verts) et une cellule de 395 K (cercles rouges). Le délai relatif entre les deux traces a été supprimé pour permettre la comparaison. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav4651
De cette façon, J.D. Siverns et ses collègues ont démontré les premières interactions de photons émis par un ion piégé avec un système d'atomes neutres. Ils ont ralenti expérimentalement les photons convertis en fréquence émis par un ion piégé dans une cellule de vapeur chaude de rubidium. L'équipe a observé des retards réglables allant jusqu'à 13,5 ± 0,5 ns avec une dispersion de température négligeable des photons. Les travaux de recherche ont facilité un système idéal à utiliser comme dispositif pour synchroniser de manière réglable des nœuds quantiques distants dans un réseau quantique hybride.
La nouvelle approche offrira une voie vers des portes quantiques photoniques entre des ions distants et des atomes neutres, où chaque système peut émettre indépendamment des photons d'un profil comparable. Les travaux ouvriront également la voie à un futur transfert d'états quantiques entre les ions et les atomes neutres pour faciliter l'expérimentation, distribution d'intrication photonique d'atomes neutres en ions, et le stockage photonique des qubits volants émis par les ions piégés combinés aux existants, technologies atomiques avancées.
© 2019 Réseau Science X
