Direction switchable single-photon emitter using a Rydberg polariton

ملخص تقني: باعث فوتون واحد قابل للتبديل في الاتجاه باستخدام بولاريتون ريدبرج

بيان المشكلة
يتطلب تحقيق الشبكات الكمومية القابلة للتوسع أجهزة توجيه كمومية (quantum routers) قادرة على إعادة تكوين مسارات الفوتونات المفردة ديناميكيًا والربط مع الذاكرات الكمومية. وبينما تم إثبات توجيه الفوتون المفرد في أنظمة مختلفة (مثل موجات المرنانات المزدوجة، أو الكيوبتات فائقة التوصيل)، فإن الحلول الحالية غالبًا ما تفتقر إلى القدرة على استيعاب عدد كبير من قنوات الإخراج المتوافقة مع الدوائر الضوئية واسعة النطاق. علاوة على على ذلك، تم اقتراح موجهات ريدبرج نظريًا (مثل الانعكاس الكمومي، أو الموجهات اللامتناظلة)، لكن ظل تقديم عرض عملي لموجه ريدبرج يعالج في الوقت نفسه إزالة التماسك الحركي (motional dephasing) ويوفر تبديلًا اتجاهيًا أمرًا لم يُستكشف بعد.

المنهجية
يقترح المؤلفون ويقدمون تجريبيًا بروتوكولًا يعتمد على بولاريتونات ريدبرج لتحقيق باعث فوتون واحد قابل للتبديل في الاتجاه. الآلية الجوهرية تتمثل في التحكم في مكون ريدبرج للفوتون المخزن باستخدام انتقال رامان المستحث.

1. التخزين: يتم تخزين فوتون إشارة في تجمع ذري من السيزيوم البارد كبولاريتون ريدبرج $|W_1\rangle$ عبر شفافية مستحثة كهرومغناطيسيًا (EIT) ثنائية الفوتون، والتي تربط الحالة الأرضية $|g\rangle$ بحالة ريدبرج $|r_1\rangle$ عبر حالة وسيطة $|e\rangle$.
2. رسم خرائط الحالة: بدلاً من استخدام نبضتي $\pi$ (كما في العمل السابق)، يستخدم البروتوكول نبضة رامان واحدة بقوة $\pi$ لتحويل حالة ريدبرج $|r_1\rangle$ إلى حالة ريدبرج مختلفة $|r_2\rangle$ عبر حالة وسيطة $|f\rangle$. يؤدي هذا إلى تحويل البولاريتون إلى $|W_2\rangle$.
3. مطابقة الطور وإعادة التوجيه: تؤدي عملية التحويل إلى إدخال حد طور يعتمد على المواقع الأولية للذرات والسرعات الحرارية، مما يؤدي عادةً إلى إزالة التماسك الحركي. اشتق المؤلفون شرطًا محددًا حيث يتم إعادة توجيه متجه موجة ليزر الاسترجاع ($\vec{k}_{retr}$) بحيث يتم إلغاء عدم تطابق الطور. وتحديدًا، من خلال استيفاء الشرط $k - k_r = -k_r \frac{\pi}{2\Omega_r} + t'$، فإن حد الطور في حالة البولاريتون الجديدة $|W_2\rangle$ يتوافق مع المواقع الذرية عند زمن الاسترجاع $t_s$.
4. الاسترجاع: يتم استرجاع الفوتون المخزن عن طريق تطبيق ليزر استرجاع ($\lambda_5$) يربط $|r_2\rangle$ بالعودة إلى $|e\rangle$. ومن الأهمية بمكان أن اتجاه الفوتون المنبعث يتحدد من خلال العلاقة المتجهية بين ليزر الاسترجاع، وإشارة القراءة، ومتجه موجة البولاريتون $|W_2\rangle$. لكي يتم استرجاع الإشارة، يجب أن تشكل هذه المتجهات الثلاثة مثلثًا مغلقًا. ومن خلال تغيير اتجاه ليزر الاسترجاع، يمكن تبديل اتجاه انبعاث الفوتون المفرد.

المساهمات الرئيسية

• بروتوكول إعادة التوجيه بنبضة $\pi$ واحدة: قدم المؤلفون بروتوكول "نبضة $\pi$ واحدة" الذي يعيد توجيه إشارة القراءة وفي الوقت نفسه يثبط إزالة التماسك الحركي. وهذا يتناقض مع الطرق السابقة التي تتطلب نبضتي $\pi$، مما يقلل من مستوى الضوضاء المرتبط بليزر رامان ويعزز أزمنة التماسك.
• قابلية التبديل في الاتجاه: يوضح العمل أن اتجاه الفوتون المخزن يمكن التحكم فيه من خلال اتجاه ليزر الاسترجاع. وهذا يتيح إنشاء باعث فوتون واحد بمسارات مخرجات متعددة.
• مقترح موجه نظري: بناءً على المخطط التجريبي، يقترح المؤلفون موجهًا كموميًا عامًا بـ $N$ من قنوات الإخراج وكفاءة توجيه تبلغ الوحدة. ومن خلال تدوير ليزر الاسترجاع حول متجهات موجة البولاريتون $|W_2\rangle$، يمكن توجيه فوتون الإشارة إلى أي من الـ $N$ قناة.

النتائج التجريبية
نفذ المؤلفون تجربة إثبات مبدأ باستخدام الحالة 7 من نموذجهم النظري (حيث يسير ليزر الاسترجاع في الاتجاه المعاكس تمامًا لليزر الاقتران أثناء التحميل $\theta_1 = 0^\circ, \theta_2 = 0^\circ$).

• التحقق من الاتجاهية: أكدت قياسات دالة الارتباط من الدرجة الثانية $g^{(2)}(0) = 0.34 \pm 0.08$ الطبيعة الفوتونية الواحدة لإشارة الاسترجاع. والأهم من ذلك، لوحظ استرجاع الفوتونات فقط عندما كان ليزر الاسترجاع محاذيًا للاتجاه "الصحيح" الذي يستوفي شرط مثلث المتجهات. وعندما تم ضبط الليزر في اتجاه "خاطئ" (متوافق في الانتشار مع ليزر الاقتران)، لم يتم استرجاع أي فوتونات، مما أثبت آلية تبديل الاتجاه.
• تثبيط إزالة التماسك: تم اختبار البروتوكول لأزمنة تخزين تصل إلى $>10$ ميكروثانية. أظهرت النتائج زيادة هائلة في كفاءة الاسترجاع مقارنة بالاضمحلال الحر. وقد تم تمديد زمن التماسك ($\tau$) من $3.11$ميكروثانية (الاضمحلال الحر) إلى$14.86$ميكروثانية باستخدام بروتوكول إعادة توجيه$\pi$.
• زيادة الكفاءة: مقارنة بعمل المؤلفين السابق باستخدام بروتوكول $\pi$-انتظر-$\pi$، زاد بروتوكول نبضة $\pi$ الواحدة من كفاءة الاسترجاع بمعامل قدره اثنين لأزمنة التخزين التي تتجاوز $10$ ميكروثانية، ويُعزى ذلك إلى تقليل ضوضاء الليزر.

الأهمية
يزعم البحث أن هذا العمل يقدم عرضًا وظيفيًا لباعث فوتون واحد قابل للتبديل في الاتجاه، وهو مكون رئيسي للموجهات الكمومية. ومن خلال تمكين إعادة توجيه الفوتونات المفردة إلى مجموعة متنوعة غنية من الأنماط البديلة بكفاءة توجيه تبلغ الوحدة، يعالج هذا المخطط تحدي توسيع الشبكات الكمومية لتشمل العديد من منافذ الإخراج. علاوة على ذلك، فإن قدرة البروتوكول على تمديد عمر الفوتون إلى أكثر من $10$ ميكروثانية (أكثر من 20 ضعف زمن معالجة الفوتون) مع تثبيط إزالة التماسك الحركي، تجعل منه مناسبًا للأجهزة الوظيفية القائمة على بولاريتونات ريدبرج. ويضع المؤلفون هذا العمل كخطوة نحو شبكات ضوئية كمومية عملية وواسعة النطاق.