Esquema experimental de la producción de fotones a partir de un ion 138Ba +, QFC, y ralentización fotónica en un vapor cálido neutro de 87Rb. (A) Los niveles de energía de 138Ba + y el esquema que muestra el ion confinado en una trampa de cuchilla segmentada. Un AOM TTL activado por pulsos controla una luz de excitación de 650 nm. (B) La configuración QFC que incluye una guía de ondas PPLN. Luz convertida, ω0, está en la frecuencia de diferencia entre los fotones emitidos por el ión en ωion y los fotones de bombeo en ωbomba. La salida del PPLN está acoplada por fibra a una fibra monomodo que mantiene la polarización (PM-SMF). Una serie de filtros y un filtro de rejilla de Bragg bombean la luz y la luz no convertida de 493 nm, lo que reduce la cantidad de ruido anti-Stokes. (C) Un diagrama de nivel de energía de 87Rb y una celda de vapor alojada dentro de un calentador a través del cual pasan fotones individuales convertidos. (D) Los fotones se detectan en un APD, y un TCSPC recoge el tiempo de llegada de los fotones con respecto al TTL enviado al AOM. Como ejemplo, Se muestran formas temporales de fotón único a 493 nm (círculos azules) y fotones convertidos en frecuencia después de pasar a través de la celda a temperatura ambiente (círculos rojos). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Las redes cuánticas se pueden implementar prácticamente para interactuar con diferentes sistemas cuánticos. Para vincular fotónicamente sistemas híbridos con propiedades únicas combinadas de cada sistema constituyente, los científicos deben integrar fuentes con la misma longitud de onda de emisión de fotones. Por ejemplo, Los iones atrapados y los átomos neutros pueden tener propiedades convincentes como nodos y memorias dentro de las redes cuánticas, pero sin enlaces fotónicos debido a sus longitudes de onda operativas muy diferentes. En un informe reciente sobre Avances de la ciencia , J.D. Siverns y colegas del Joint Quantum Institute, El Departamento de Física y el Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. Demostraron la primera interacción entre átomos neutros y fotones emitidos por un solo ión atrapado.
Para lograr esto, usaron rubidio 87 Rb) vapor para retrasar el origen de los fotones de un bario atrapado ( 138 Licenciado en Letras + ) ion en hasta 13,5 ± 0,5 nanosegundos (ns). Los investigadores utilizaron la conversión de frecuencia cuántica (QFC) para superar la diferencia de frecuencia entre los átomos de iones y neutros durante el proceso. Ajustaron el retraso y conservaron el perfil temporal de los fotones y entregaron los resultados como una interfaz fotónica híbrida con aplicaciones como una herramienta de sincronización crítica para las redes cuánticas a gran escala en el futuro.
Para establecer redes cuánticas escalables, los físicos deben integrar componentes cuánticos dispares. Los investigadores habían vinculado previamente los sistemas cuánticos fotónicos para formar plataformas híbridas con átomos individuales, Condensados de Bose-Einstein, sistemas de estado sólido, vapores atómicos y conjuntos atómicos. El progreso en las redes híbridas se centra típicamente en casos en los que la longitud de onda de los fotones nativos de cada sistema es la misma por definición. o mediante ingeniería directa de la propia fuente de fotones. En una red práctica, es poco probable que se cumplan requisitos tan estrictos, dado que los fotones emitidos por los dispositivos existentes en las tecnologías de comunicación cuántica varían en un amplio espectro de fotones. Para evitar el desajuste espectral, los investigadores pueden introducir la conversión de frecuencia cuántica (QFC) para convertir la frecuencia de un fotón a otra frecuencia mientras se conservan sus propiedades cuánticas. Un sistema híbrido que combine las características deseables de diferentes componentes puede ayudar a realizar una herramienta de red cuántica viable.
Absorción, índice de refracción, y velocidad de grupo dentro de un vapor caliente de 87Rb. (A) Perfil de absorción de la línea 87Rb D2 usando 780 nm obtenido a través de QFC de una luz láser de 493 nm con la celda a temperatura ambiente. El rango de sintonización sin salto de modo del láser de bomba limita el rango de sintonización de frecuencia. El índice de refracción (B) y la velocidad de grupo (C) en las proximidades de los dos picos de absorción en función de la desafinación del pico de transmisión, δ, a 373 K (azul) y 423 K (rojo). DFG; generación de frecuencia de diferencia. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Los iones atrapados son fuertes candidatos para los nodos de comunicación debido a su larga vida útil de los qubits, así como al entrelazamiento de iones y fotones de alta fidelidad. Los átomos neutros son sistemas cuánticos versátiles útiles como memorias, medios de almacenamiento de fotones o para el retardo de fotones sintonizable al ralentizar la luz. Invertir en el diseño, El control y el desarrollo de tecnologías cuánticas neutras y de iones atrapados han producido un progreso notable en las redes cuánticas. informática, metrología y simulación. Los investigadores suelen utilizar vapores de átomos neutros y átomos atrapados magnetoópticamente como medios de luz lenta para pulsos de luz o para fotones individuales. Reducir la luz para retrasos fotónicos sintonizables es útil para la sincronización de fotones para implementar protocolos de red que utilizan interferencia fotónica. En el presente trabajo, Siverns y col. demostró la primera interacción entre átomos neutros y fotones emitidos por un ión al ralentizar los fotones generados por un solo ión atrapado dentro de un vapor de átomo neutro.
Para crear un medio con una velocidad de grupo baja para la propagación lenta de la luz dentro de los vapores atómicos, el equipo de investigación utilizó fotones con una frecuencia entre dos resonancias de absorción de un medio. Investigaron las dos resonancias de absorción utilizando transparencia inducida electromagnéticamente (EIT) o resonancia lejana. Siverns y col. usó dos D 2 resonancias de absorción establecidas a través de la división del estado fundamental hiperfino de 87 Rb con una configuración experimental menos compleja en comparación con los métodos EIT, que solo requería fotones individuales a la frecuencia correcta. Luego, los investigadores derivaron la velocidad de grupo de los fotones emitidos por Ba + iones después de QFC (conversión de frecuencia cuántica). Sintonizaron la frecuencia óptica del fotón para lograr un máximo en la transmisión y reducir en gran medida la velocidad del grupo. Siverns y col. sintonizó el retardo del fotón cambiando la densidad del número atómico (N).
Relación señal / ruido (SNR) medida después del filtrado de la señal iónica convertida en frecuencia. La curva naranja es la SNR dadas las eficiencias de conversión medidas y el ruido en cada potencia de bomba. Recuadro:Eficiencia de conversión medida (negro) y recuentos de ruido medidos (rojo) en el APD en función de la potencia de la bomba. La curva negra es un ajuste teórico a los datos de eficiencia, y la curva roja es un ajuste empírico al ruido. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Como fuente de fotones individuales de 493 nm, el equipo de investigación utilizó 138 Licenciado en Letras + iones, que atraparon aplicando voltajes a cuchillas segmentadas alojadas en una cámara de vacío ultra alto. Recolectaron los fotones usando una lente de apertura numérica (NA) de 0.4; la fibra los acopló y los envió a la configuración de QFC. El equipo de investigación acopló los fotones de una frecuencia específica con un láser de bomba para formar una frecuencia diferente cerca de 1343 nm, que se acoplaron a una guía de ondas de niobato de litio de polos periódicos (PPLN) para la generación de frecuencias diferenciales (DFG). Después de ajustar la frecuencia del láser de la bomba, el equipo produjo fotones de 780 nm con una frecuencia entre dos resonancias de absorción óptica para implementar luz lenta. Los científicos demostraron la eficiencia de conversión del dispositivo PPLN en función de la potencia de la bomba acoplada a la guía de ondas.
Formas de fotones temporales de área normalizada. Formas temporales de área normalizada de fotones convertidos en frecuencia que han pasado a través de una celda de vapor de 87Rb caliente. La temperatura de la celda de vapor 87Rb se establece en los valores indicados. La densidad óptica (DO) del vapor caliente se establece para cada temperatura, a una frecuencia ω0, y usando la misma densidad atómica, N. Crédito:Avances científicos, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
Siverns y col. maximizó la relación señal-ruido (SNR) de la luz convertida en lugar de utilizar la cantidad total de luz convertida. Convirtieron los fotones de 493 nm usando DFG (generación de frecuencia de diferencia) para sintonizar la frecuencia óptica de la bomba. Los científicos acoplaron la salida del PPLN a una fibra monomodo de 800 nm para capturar fotones de 780 nm y filtraron espacialmente los otros modos. Al filtrar los fotones, el equipo de investigación los envió a través de una celda de vidrio calentada de 75 mm de largo llena de 87 Rb, que detectaron utilizando un fotodiodo de avalancha (APD). Cuando los fotones pasaron a través de la celda de rubidio a temperatura ambiente, su absorción y dispersión redujeron la relación señal / ruido a ~ 6. Para medir la forma temporal, registraron el tiempo de llegada de los fotones al APD, en relación con el modulador acústico-óptico de excitación (AOM) de 650 nm y el pulso de lógica de transistor-transistor (TTL) con un tiempo correlacionado, contador de fotón único con una resolución de 512 picosegundos (ps). Con una mayor densidad atómica de la celda de vapor, la SNR disminuyó monótonamente para acercarse a ~ 1 a 395 K. A pesar de una SNR más baja, los retrasos de los fotones permanecieron claramente visibles.
El equipo de investigación determinó el retraso del fotón cambiando temporalmente cada fotón retrasado para superponerse con una forma de fotón a temperatura ambiente. Los científicos notaron los fotones emitidos por el Ba + ion y la deriva del láser de la bomba para impactar la estabilidad de la frecuencia óptica de los fotones convertidos. Su objetivo es aumentar los retrasos de los fotones y mejorar la transmisión aumentando el índice de refracción no lineal en el vapor utilizando métodos avanzados como EIT (transparencia inducida electromagnéticamente) en el futuro.
Retraso de los fotones convertidos en frecuencia emitidos por el ion Ba + atrapado después de pasar a través de una celda de vapor de 87Rb en función de la temperatura de la celda. La curva de la teoría discontinua es una versión a escala de la ecuación derivada en el trabajo para dar cuenta de N. Las barras de error de temperatura y retardo se deben a las fluctuaciones de temperatura durante el transcurso del experimento y al ancho del intervalo de los datos de tiempo de llegada de fotones del histograma, respectivamente. Recuadro:superposición de formas temporales de fotones transmitidos a través de una celda de temperatura ambiente de 296 K (círculos verdes) y una celda de 395 K (círculos rojos). El retraso relativo entre las dos trazas se ha eliminado para permitir la comparación. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aav4651
De este modo, J.D. Siverns y sus colegas demostraron las primeras interacciones de los fotones emitidos por un ion atrapado con un sistema de átomos neutros. Experimentalmente ralentizaron los fotones convertidos en frecuencia emitidos por un ión atrapado dentro de una celda de vapor de rubidio caliente. El equipo observó retrasos ajustables de hasta 13,5 ± 0,5 ns con una dispersión de temperatura de los fotones insignificante. El trabajo de investigación facilitó un sistema ideal para usar como dispositivo para sincronizar sintonizadamente nodos cuánticos remotos en una red cuántica híbrida.
El nuevo enfoque ofrecerá un camino hacia puertas cuánticas fotónicas entre iones remotos y átomos neutros, donde cada sistema puede emitir independientemente fotones de un perfil comparable. El trabajo también allanará el camino para la futura transferencia de estado cuántico entre iones y átomos neutros para facilitar la experimentación, distribución del entrelazamiento fotónico del átomo de iones neutros, y almacenamiento fotónico de qubits voladores emitidos por iones atrapados combinados con los existentes, tecnologías avanzadas de átomos.
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