Direction switchable single-photon emitter using a Rydberg polariton

तकनीकी सारांश: रिडबर्ग पोलरिटोन का उपयोग करके दिशा-परिवर्तनीय एकल-फोटॉन उत्सर्जक (Direction Switchable Single-Photon Emitter)

समस्या विवरण
स्केलेबल क्वांटम नेटवर्क की प्राप्ति के लिए ऐसे क्वांटम राउटरों की आवश्यकता है जो गतिशील रूप से एकल-फोटॉन पथों को पुनर्गठित कर सकें और क्वांटम मेमोरी के साथ इंटरफेस कर सकें। जबकि विभिन्न प्रणालियों (जैसे, युग्मित-अनुनादक वेवगाइड्स, सुपरकंडक्टिंग क्वबिट्स) में एकल-फोटॉन रूटिंग का प्रदर्शन किया जा चुका है, मौजूदा समाधान अक्सर बड़े पैमाने के फोटोनिक सर्किटों के अनुकूल बड़ी संख्या में आउटपुट चैनलों की क्षमता की कमी रखते हैं। इसके अलावा, रिडबर्ग-मध्यस्थता वाले क्वांटम राउटर (जैसे, क्वांटम रिफ्लेक्शन, कायरल राउटर) सैद्धांतिक रूप से प्रस्तावित किए गए हैं, लेकिन एक ऐसा व्यावहारिक प्रदर्शन जो गतिज विप्रकीर्णन (motional dephasing) को संबोधित करता है और दिशात्मक स्विचिंग भी प्रदान करता है, वह अब तक अनछुआ रहा है।

कार्यप्रणाली
लेखक एक दिशा-परिवर्तनीय एकल-फोटॉन उत्सर्जक प्राप्त करने के लिए रिडबर्ग पोलिटोन पर आधारित एक प्रोटोकॉल का प्रस्ताव करते हैं और प्रयोगात्मक रूप से प्रदर्शित करते हैं। मुख्य तंत्र एक उत्तेजित रमन संक्रमण (stimulated Raman transition) का उपयोग करके संग्रहीत फोटॉन के रिडबर्ग घटक का हेरफेर करना है।

1. भंडारण (Storage): एक सिग्नल फोटॉन को दो-फोटॉन इलेक्ट्रोमैग्नेटिकली इंड्यूस्ड ट्रांसपेरेंसी (EIT) के माध्यम से एक ठंडे सीज़ियम परमाणु समूह में एक रिडबर्ग पोलिटोन $|W_1\rangle$ के रूप में संग्रहीत किया जाता है, जो एक मध्यवर्ती अवस्था $|e\rangle$ के माध्यम से ग्राउंड स्टेट $|g\rangle$ को एक रिडबर्ग अवस्था $|r_1\rangle$ से जोड़ता है।
2. अवस्था मानचित्रण (State Mapping): दो $\pi$ पल्स (जैसा कि पिछले कार्य में किया गया था) के बजाय, यह प्रोटोकॉल एक एकल $\pi$ रमन पल्स का उपयोग करता है ताकि एक अलग रिडबर्ग अवस्था $|r_2\rangle$ में अवस्था $|r_1\rangle$ को परिवर्तित किया जा सके, जो एक मध्यवर्ती अवस्था $|f\rangle$ के माध्यम से होता है। यह पोलिटोन को $|W_2\rangle$ में परिवर्तित करता है।
3. फेज मैचिंग और पुनर्निर्देशन (Phase Matching and Redirection): यह रूपांतरण एक ऐसा फेज टर्म पेश करता है जो परमाणुओं की प्रारंभिक स्थिति और तापीय वेग पर निर्भर करता है, जो आमतौर पर मोशनल डीफेजिंग (motional dephasing) की ओर ले जाता है। लेखकों ने एक विशिष्ट स्थिति व्युत्पन्न की है जहाँ रिट्रीवल लेजर के वेववेक्टर ($\vec{k}_{retr}$) को इस तरह से पुनर्निर्देशित किया जाता है कि फेज मिसमैच रद्द हो जाए। विशेष रूप से, इस शर्त को संतुष्ट करके कि $k - k_r = -k_r \frac{\pi}{2\Omega_r} + t'$, $|W_2\rangle$ के नए पोलिटोन स्टेट में फेज टर्म रिट्रीवल समय $t_s$ पर परमाणु स्थितियों के साथ संरेखित हो जाता है।
4. पुनर्प्राप्ति (Retrieval): एक रिट्रीवल लेजर ($\lambda_5$) द्वारा एक संग्रहीत फोटॉन को पुनः प्राप्त किया जाता है जो $|r_2\rangle$ को वापस $|e\rangle$ से जोड़ता है। महत्वपूर्ण रूप से, उत्सर्जित फोटॉन की दिशा रिट्रीवल लेजर, रीड-आउट सिग्नल और पोलिटोन वेववेक्टर $|W_2\rangle$ के बीच के वेक्टर संबंध द्वारा निर्धारित होती है। सिग्नल को पुनः प्राप्त करने के लिए, इन तीन वेववेक्टर्स को एक बंद त्रिकोण बनाना चाहिए। रिट्रीवल लेजर की दिशा बदलकर, संग्रहीत एकल फोटॉन की आउटपुट दिशा को स्विच किया जा सकता है।

मुख्य योगदान

• $\pi$-पुनर्निर्देशन प्रोटोकॉल: लेखक एक "एकल $\pi$-पल्स" प्रोटोकॉल पेश करते हैं जो एक साथ रीड-आउट सिग्नल को पुनर्निर्देशित करता है और मोशनल डीफेजिंग को दबाता है। यह पिछले तरीकों के विपरीत है जिनमें दो $\pi$ पल्स की आवश्यकता होती थी, जिससे रमन लेजर से जुड़ा शोर का स्तर कम होता है और कोहेरेंस समय (coherence times) बढ़ता है।
• दिशा-परिवर्तनीयता (Direction Switchability): यह कार्य प्रदर्शित करता है कि संग्रहीत एकल फोटॉन की आउटपुट दिशा को रिट्रीवल लेजर की दिशा द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है। यह एक एकल-फोटॉन उत्सर्जक के कई आउटपुट चैनलों के निर्माण को सक्षम बनाता है।
• सैद्धांतिक राउटर प्रस्ताव: प्रयोगात्मक योजना के आधार पर, लेखक $N$ आउटपुट चैनलों और एकता (unity) रूटिंग दक्षता वाले एक सामान्य क्वांटम राउटर का प्रस्ताव करते हैं। $|W_2\rangle$ पोलिटोन के वेववेक्टर्स के चारों ओर रिट्रीवल लेजर को घुमाकर, सिग्नल फोटॉन को किसी भी $N$ चैनलों में रूट किया जा सकता है।

प्रायोगिक परिणाम
लेखकों ने अपने सैद्धांतिक मॉडल के केस 7 (जहाँ रिट्रीवल लेजर लोडिंग के दौरान कपलिंग लेजर के बिल्कुल विपरीत दिशा में यात्रा करता है, $\theta_1 = 0^\circ, \theta_2 = 0^\circ$) का उपयोग करके एक प्रूफ-ऑफ-प्रिंसिपल प्रयोग लागू किया।

• दिशात्मक सत्यापन: द्वितीय-क्रम सहसंबंध फलन (second-order correlation function) $g^{(2)}(0) = 0.34 \pm 0.08$ के मापन ने रिट्रीवल सिग्नल की एकल-फोटॉन प्रकृति की पुष्टि की। महत्वपूर्ण रूप से, फोटॉन रिट्रीवल केवल तभी देखा गया जब रिट्रीवल लेजर "सही" दिशा में संरेखित था जो वेववेक्टर त्रिकोण की स्थिति को संतुष्ट करता है। जब लेजर को "गलत" दिशा (कपलिंग लेजर के साथ सह-प्रगतिशील/co-propagating) में सेट किया गया, तो कोई फोटॉन प्राप्त नहीं हुआ, जो दिशा-स्विचिंग तंत्र को सत्यापित करता है।
• डीफेजिंग का दमन: प्रोटोकॉल का परीक्षण $>10$ µs तक के स्टोरेज समय के लिए किया गया। परिणामों ने फ्री डिके (free decay) की तुलना में रिट्रीवल दक्षता में नाटकीय वृद्धि दिखाई। $\pi$-पुनर्निर्देशन प्रोटोकॉल का उपयोग करके कोहेरेंस समय ($\tau$) को $3.11$µs (फ्री डिके) से बढ़ाकर$14.86$ µs कर दिया गया।
• दक्षता लाभ: अपने पिछले कार्य (जिसमें $\pi$-वेट-$\pi$ प्रोटोकॉल का उपयोग किया गया था) की तुलना में, एकल $\pi$-पल्स प्रोटोकॉल ने $10$ µs से अधिक के स्टोरेज समय के लिए रिट्रीवल दक्षता को दो गुना बढ़ा दिया, जिसका श्रेय लेजर शोर में कमी को दिया गया है।

महत्व
यह पत्र दावा करता है कि यह कार्य एक दिशा-परिवर्तनीय एकल-फोटॉन उत्सर्जक का कार्यात्मक प्रदर्शन प्रदान करता है, जो क्वांटम राउटरों के लिए एक प्रमुख घटक है। एकल फोटॉन को एकता रूटिंग दक्षता के साथ विविध प्रकार के वैकल्पिक मोड में पुनर्निर्देशित करने में सक्षम बनाकर, यह योजना क्वांटम नेटवर्क को कई आउटपुट पोर्ट्स तक स्केल करने की चुनौती का समाधान करती है। इसके अलावा, मोशनल डीफेजिंग को दबाते हुए फोटॉन के जीवनकाल को $10$ µs से अधिक तक बढ़ाने की प्रोटोकॉल की क्षमता इसे रिडबर्ग पोलिटोन पर आधारित कार्यात्मक क्वांटम उपकरणों के लिए उपयुक्त बनाती है। लेखक इसे व्यावहारिक, बड़े पैमाने के ऑप्टिकल क्वांटम नेटवर्क की दिशा में एक कदम के रूप में देखते हैं।