Direction switchable single-photon emitter using a Rydberg polariton

本文展示了一种基于里德堡极化激元的方向可切换单光子发射器，该发射器利用受激拉曼跃迁实现跨多个输出通道的高效量子路由，同时显著延长光子寿命以抑制运动退相干。

要点

想象你有一条用光写成的非常特殊且脆弱的信息——一个单光子。在量子计算的世界里，这些光粒子就像传递秘密信息的信使。问题在于，一旦你抓住了信使，通常必须让它沿着它来的方向原路返回，否则你就会丢失信息。

本文描述了一种捕捉信使、改变其“想法”并将其从完全不同的方向送出的新方法，同时确保其信息完好无损。

以下是科学家们如何利用一些富有创意的类比来实现这一点的：

1. “冻结”技巧（存储光）

首先，研究团队捕获光子并将其“冻结”在一团超冷原子云中。他们将光转化为一种名为里德堡极化激元的混合实体。这就像将一只快速飞行的鸟变成一座由鸟及其周围空气构成的雕像。鸟（光子）现在成为了雕像（原子）的一部分，因此它停止移动并等待。

2. “身份交换”（问题所在）

当雕像处于等待状态时，其中的原子仍会因温度（即使非常低）而轻微颤动。这种颤动就像人群中排队的人不断挪动；如果你试图稍后将雕像变回鸟，这种颤动会使鸟的羽毛凌乱、信息混乱。这被称为“运动退相干”。

通常，为了解决这个问题，科学家会使用复杂的双步“舞蹈”来抵消颤动。但在这次实验中，团队发现了一个捷径。他们使用特定的激光脉冲（“π脉冲”）来交换鸟的“身份”。

• 之前：鸟戴着一顶红帽子（状态 1）。
• 之后：激光将红帽子换成了蓝帽子（状态 2）。

这里的奇妙之处在于：当鸟戴上蓝帽子时，它的颤动方式发生了改变。科学家们计算出，如果等待的时间恰到好处，戴蓝帽子的鸟的颤动将完美抵消戴红帽子的鸟的颤动。这就像两个在自动人行道上朝相反方向行走的人突然交换了位置；他们的综合运动相互抵消，最终相对于地面静止不动。

3. “交通警察”（改变方向）

这是最令人兴奋的部分。因为这只鸟现在戴着蓝帽子，只有当“交通警察”（检索激光）站在特定位置时，它才能被释放。

• 旧方法：要释放这只鸟，交通警察必须站在鸟来的确切位置。
• 新方法：由于鸟的“颤动模式”发生了改变，交通警察现在可以站在一个不同的位置，而鸟将向一个新的方向飞出。

该论文表明，只需移动充当交通警察的激光，就可以使光子向许多不同的方向飞出。这就像拥有一个可以旋转的单一邮件投递口，能够将信件发送到 100 个不同的地址，而不仅仅是一个。

4. 结果：超级路由器

团队通过两种方式证明了这一点的有效性：

1. 方向切换：他们成功使光子从与入射方向不同的方向射出。他们表明，通过旋转激光，理论上可以将光子发送到许多不同的“输出通道”（就像互联网上的路由器，但针对的是单个光粒子）。
2. 更长的寿命：由于他们仅使用一次激光脉冲（而非通常的两次）进行了这种“身份交换”技巧，他们减少了噪声，并使光子保持了更长时间的安全——超过 10 微秒。在光的领域，这是一段非常长的时间（比处理信息所需时间长 20 倍以上）。

总结

研究人员构建了一个“方向可切换”的光开关。他们捕获了一个单光子，改变其内部状态以抵消由热引起的抖动，然后利用激光引导其向新方向射出。这为量子网络创造了一个完美的“路由器”，允许单个光子在不丢失信息的情况下被发送到许多不同的地方，同时保持安全的时间令人惊讶地长。

技术摘要

技术摘要：基于里德堡极化激元的方向可切换单光子发射器

问题陈述
可扩展量子网络的实现需要能够动态重构单光子路径并与量子存储器接口的量子路由器。尽管单光子路由已在各种系统中得到演示（例如耦合谐振器波导、超导量子比特），但现有方案通常缺乏与大规模光子电路兼容的大量输出通道能力。此外，里德堡介导的单光子路由器已在理论上被提出（例如量子反射、手性路由器），但能够同时解决运动退相干并提供方向切换功能的里德堡介导路由器的实际演示仍未被探索。

方法论
作者提出并实验演示了一种基于里德堡极化激元的协议，以实现方向可切换的单光子发射器。核心机制涉及利用受激拉曼跃迁操纵存储光子的里德堡分量。

1. 存储：信号光子通过双光子电磁感应透明（EIT）被存储在冷铯原子系综中，形成里德堡极化激元 $|W_1\rangle$，该过程通过中间态 $|e\rangle$ 将基态 $|g\rangle$ 耦合至里德堡态 $|r_1\rangle$。
2. 态映射：该协议不使用两个 $\pi$ 脉冲（如以往工作那样），而是采用单个 $\pi$ 拉曼脉冲，通过中间态 $|f\rangle$ 将里德堡态 $|r_1\rangle$ 转换为不同的里德堡态 $|r_2\rangle$。这将极化激元转换为 $|W_2\rangle$。
3. 相位匹配与重定向：转换引入了依赖于原子初始位置和热速度的相位项，这通常会导致运动退相干。作者推导出了一个特定条件，其中检索激光的波矢（$\vec{k}_{retr}$）被重定向，从而抵消相位失配。具体而言，通过满足条件 $k - k_r = -k_r \frac{\pi}{2\Omega_r} + t'$，新极化激元态 $|W_2\rangle$ 中的相位项在检索时间 $t_s$ 与原子位置对齐。
4. 检索：通过施加检索激光（$\lambda_5$）将存储的光子检索出来，该激光将 $|r_2\rangle$ 耦合回 $|e\rangle$。关键在于，发射光子的方向由检索激光、读出信号与极化激元波矢 $|W_2\rangle$ 之间的矢量关系决定。为了检索信号，这三个波矢必须形成一个闭合三角形。通过改变检索激光的方向，可以切换单光子的输出方向。

主要贡献

• $\pi$-重定向协议：作者引入了一种“单 $\pi$ 脉冲”协议，该协议同时重定向读出信号并抑制运动退相干。这与需要两个 $\pi$ 脉冲的先前方法形成对比，从而降低了与拉曼激光相关的噪声水平并增强了相干时间。
• 方向可切换性：该工作证明了存储单光子的输出方向可以通过检索激光的方向进行控制。这使得创建具有多个输出通道的单光子发射器成为可能。
• 理论路由器提案：基于实验方案，作者提出了一种具有 $N$ 个输出通道且路由效率为 1 的通用量子路由器。通过围绕 $|W_2\rangle$ 极化激元的波矢旋转检索激光，信号光子可以被路由到 $N$ 个通道中的任意一个。

实验结果
作者利用其理论模型中的案例 7（其中在加载过程中检索激光的传播方向与耦合激光完全相反，$\theta_1 = 0^\circ, \theta_2 = 0^\circ$）实施了原理验证实验。

• 方向性验证：对二阶关联函数 $g^{(2)}(0) = 0.34 \pm 0.08$ 的测量证实了检索信号的单光子特性。关键的是，仅当检索激光沿满足波矢三角形条件的“正确”方向排列时，才观察到光子检索。当激光设置为“错误”方向（与耦合激光同向传播）时，未检索到任何光子，从而验证了方向切换机制。
• 退相干抑制：该协议在长达 $>10$ µs 的存储时间内进行了测试。结果显示，与自由衰减相比，检索效率显著增加。使用 $\pi$-重定向协议，相干时间（$\tau$）从自由衰减的 $3.11$µs 延长至$14.86$ µs。
• 效率增益：与作者先前使用 $\pi$-等待-$\pi$ 协议的工作相比，单 $\pi$ 脉冲协议将存储时间超过 $10$ µs 时的检索效率提高了一倍，这归因于激光噪声的降低。

意义
该论文声称，这项工作提供了方向可切换单光子发射器的功能演示，这是量子路由器的关键组件。通过使单光子能够以 1 的路由效率重定向到丰富多样的替代模式中，该方案解决了将量子网络扩展至多个输出端口的挑战。此外，该协议能够将光子寿命延长至超过 $10$ µs（超过光子处理时间的 20 倍），同时抑制运动退相干，使其适用于基于里德堡极化激元的功能量子器件。作者将此定位为迈向实用化、大规模光学量子网络的一步。