Kvantnätverk kan praktiskt implementeras för att samverka med olika kvantsystem. För att fotoniskt länka hybridsystem med kombinerade unika egenskaper hos varje ingående system, forskare måste integrera källor med samma fotonemissionsvåglängd. Till exempel, fångade joner och neutrala atomer kan båda ha övertygande egenskaper som noder och minnen inom kvantnätverk men utan fotonisk länkning på grund av deras mycket olika funktionsvåglängder. I en färsk rapport om Vetenskapens framsteg , J.D. Siverns och kollegor vid Joint Quantum Institute, Institutionen för fysik och Army Research Laboratory i USA demonstrerade den första interaktionen mellan neutrala atomer och fotoner som emitteras från en enda fångade jon.

För att åstadkomma detta, de använde Rubidium ( ⁸⁷ Rb) ånga för att fördröja uppkomsten av fotoner från ett fångat barium ( ¹³⁸ Ba ⁺ ) jon med upp till 13,5 ± 0,5 nanosekunder (ns). Forskarna använde kvantfrekvensomvandling (QFC) för att övervinna frekvensskillnaden mellan jonatomer och neutrala atomer under processen. De trimmade fördröjningen och bevarade fotonernas tidsmässiga profil och levererade resultaten som ett hybridt fotoniskt gränssnitt med applikationer som ett synkroniseringsverktyg som är avgörande för storskaliga kvantnätverk i framtiden.

För att etablera skalbara kvantnätverk, fysiker måste integrera olika kvantkomponenter. Forskare hade tidigare kopplat fotoniska kvantsystem för att bilda hybridplattformar med enstaka atomer, Bose-Einstein kondenserar, solid state system, atomångor och atomensembler. Framsteg inom hybridnätverk är vanligtvis fokuserade på fall där den ursprungliga fotonvåglängden för varje system är densamma per definition, eller via direkt konstruktion av själva fotonkällan. I ett praktiskt nätverk, det är osannolikt att sådana stränga krav kommer att uppnås, eftersom fotoner som emitteras från befintliga enheter inom kvantkommunikationsteknik varierar över ett brett fotonspektrum. För att undvika spektral oöverensstämmelse, forskare kan introducera kvantfrekvensomvandling (QFC) för att omvandla en fotons frekvens till en annan frekvens samtidigt som dess kvantegenskaper bevaras. Ett hybridsystem som kombinerar de önskvärda egenskaperna hos olika komponenter kan hjälpa till att förverkliga ett livskraftigt kvantnätverksverktyg.

Instängda joner är starka kandidater för kommunikationsnoder på grund av deras långa qubit-livslängd såväl som högfientliga jon-foton intrassling. Neutrala atomer är mångsidiga kvantsystem användbara som minnen, fotonlagringsmedia eller för inställbar fotonfördröjning genom att bromsa ljuset. Investera i designen, kontroll och utveckling av fångade joner och neutrala kvantteknologier har gett anmärkningsvärda framsteg inom kvantnätverk, datoranvändning, mätning och simulering. Forskare använder vanligtvis neutrala atomångor och magnetoptiskt fångade atomer som långsamt ljusmedia för ljuspulser eller för enstaka fotoner. Långsamma ljus för inställbara fotoniska fördröjningar är användbart för fotonsynkronisering för att implementera nätverksprotokoll som använder fotonisk interferens. I detta arbete, Siverns et al. demonstrerade den första interaktionen mellan neutrala atomer och fotoner som emitteras av en jon genom att bromsa de fotoner som genereras från en enda fångade jon i en neutral atomånga.

För att skapa ett medium med låg grupphastighet för långsam ljusutbredning inom atomångor, forskargruppen använde fotoner med en frekvens mellan två absorptionsresonanser hos ett medium. De undersökte de två absorptionsresonanserna med hjälp av elektromagnetiskt inducerad transparens (EIT) eller fjärrresonans. Siverns et al. använde två D ₂ absorptionsresonanser etablerade via hyperfin grundtillståndsdelning av ⁸⁷ Rb med en mindre komplex experimentell uppställning jämfört med EIT-metoder, som bara krävde enstaka fotoner vid rätt frekvens. Forskarna härledde sedan grupphastigheten för fotonerna som emitterades från Ba ⁺ joner efter QFC (kvantfrekvensomvandling). De ställde in fotonens optiska frekvens för att uppnå ett maximum i transmission och kraftigt reducerad grupphastighet. Siverns et al. justerade fotonfördröjningen genom att ändra atomnummerdensiteten (N).

Som källan till 493-nm enstaka fotoner, forskargruppen använde ¹³⁸ Ba ⁺ joner, som de fångade genom att applicera spänningar på segmenterade blad inrymda i en ultrahögvakuumkammare. De samlade fotonerna med hjälp av en lins med 0,4 numerisk bländare (NA); fiber kopplade dem och skickade dem till QFC-installationen. Forskargruppen kopplade fotonerna av en specifik frekvens med en pumplaser för att bilda en annan frekvens nära 1343 nm, som de kopplade till en periodiskt polad litiumniobat (PPLN) vågledare för differensfrekvensgenerering (DFG). Efter frekvensjustering av pumplasern, teamet producerade 780 nm fotoner med en frekvens mellan två optiska absorptionsresonanser för att implementera långsamt ljus. Forskarna visade omvandlingseffektiviteten hos PPLN-enheten som en funktion av pumpeffekten kopplad till vågledaren.

Siverns et al. maximerade signal-brusförhållandet (SNR) för det konverterade ljuset istället för att använda den totala mängden konverterat ljus. De omvandlade 493-nm-fotonerna med hjälp av DFG (differensfrekvensgenerering) för att ställa in pumpens optiska frekvens. Forskarna kopplade utsignalen från PPLN till en 800 nm enkelmodsfiber för att fånga 780 nm fotoner och rumsligt filtrerade bort de andra lägena. Vid filtrering av fotoner, forskargruppen skickade dem genom en 75 mm lång uppvärmd glascell fylld med berikat ⁸⁷ Rb, som de upptäckte med hjälp av en lavinfotodiod (APD). När fotonerna passerade genom rubidiumcellen vid rumstemperatur, deras absorption och spridning minskade signal-brusförhållandet till ~6. För att mäta den tidsmässiga formen, de registrerade ankomsttiden för fotonerna vid APD, i förhållande till 650-nm excitationspulsen för akustisk-optisk modulator (AOM) och transistor-transistor-logik (TTL) med en tidskorrelerad, singelfotonräknare med en upplösning på 512 pikosekunder (ps). Med ökad atomdensitet hos ångcellen, SNR minskade monotont till att närma sig ~1 vid 395 K. Trots lägre SNR, fotonfördröjningarna förblev tydligt synliga.

Forskargruppen bestämde fotonfördröjningen genom att temporärt förskjuta varje fördröjd foton för att överlappa en fotonform vid rumstemperatur. Forskarna noterade de fotoner som sänds ut av Ba ⁺ jon och pumplaserns drift för att påverka stabiliteten hos den optiska frekvensen hos de konverterade fotonerna. De syftar till att öka fotonfördröjningar och förbättra transmissionen genom att öka det olinjära brytningsindexet i ångan med hjälp av avancerade metoder som EIT (electromagnetically induced transparency) i framtiden.

På det här sättet, J.D. Siverns och kollegor visade de första interaktionerna mellan fotoner som emitteras från en fångade jon med ett neutralt atomsystem. De bromsade experimentellt de frekvensomvandlade fotonerna som emitterades från en fångade jon i en varm rubidiumångcell. Teamet observerade avstämbara fördröjningar på upp till 13,5 ± 0,5 ns med försumbar temperaturspridning av fotonerna. Forskningsarbetet underlättade ett idealiskt system för användning som en enhet för att tunably synkronisera avlägsna kvantnoder i ett hybrid kvantnätverk.

Det nya tillvägagångssättet kommer att erbjuda en väg mot fotoniska kvantportar mellan avlägsna joner och neutrala atomer, där varje system självständigt kan sända ut fotoner med en jämförbar profil. Arbetet kommer också att bana väg för framtida kvanttillståndsöverföring mellan joner och neutrala atomer för att underlätta experimentell, jon-neutral atom fotonisk intrasslingsfördelning, och fotonisk lagring av flygande qubits som emitteras från fångade joner i kombination med befintliga, avancerad atomteknologi.

© 2019 Science X Network