窄带光子与囚禁离子间高效量子接口实验研究

The building of quantum network is of great importance to the development of long-distance quantum communication and distributed quantum computation, which consists with quantum node working for manipulating and storing quantum information and quantum channel working for distributing quantum information. Owing to the good isolation of environment, trapped ion system has long coherent time and is available for manipulating and storing information as quantum node. And, owing to very weak interaction between the photon and the environment, photons can be perfect carrier of information as quantum channel. However, suffering from the very weak interaction between the trapped ion and single photon, it will very meaningful to realize the high efficient quantum interface between them. In this project, we will realize the strong interaction between the trapped ion and single photon by taking the advantage of small mode volume of optical fiber microcavity. More specifically, realizing the building of hybrid system based on trapped ion and optical fiber microcavity; realizing the nonclassical correlation between the high efficiently emitted narrow-band photon and trapped ion by the purcell effect of optical cavity; realizing the nonclassical correlation between the narrow-band photons and trapped ion by the absorbing the input compatible narrow-band photons effectively with the help of cavity-enhanced effects.

量子网络的构建对长程量子通信和分布式量子计算的发展具有重要的意义，其主要由操作和存储量子信息的量子节点和传输量子信息的量子信道组成。由于囚禁离子体系与环境隔绝好，消相干弱，适合用来做操作和存储信息的量子节点。同时，由于光子与环境的相互作用很弱，适合用来做传输信息的量子信道。然而，囚禁离子和光子间的相互作用很弱，这就使得构建囚禁离子与光子间的高效的量子接口具有重要的意义。在该项目中，利用光纤微腔的非常小的模式体积，来实现光子与囚禁离子间强的相互作用。研究的具体内容有搭建基于囚禁离子和光纤微腔的混合物理系统；利用腔的purcell效用，实现高效读出的窄带光子与囚禁离子间的非经典关联；利用腔增强效应，实现外部输入窄带光子被囚禁离子高效吸收并进一步通过此方法得到两者间的非经典关联。

量子网络研究的核心内容是实现光与物质的强相互作用，而腔量子电动力学系统是天然进行相关研究的物理系统。通过采用模式体积小的光学微腔，光与物质间相互作用的强度可以得到增强，进而实现两者间相干的相互作用。本项目的主要研究内容是实现光纤微腔与冷原子特别是冷离子的混合系统的搭建，进而通过实现其与光子间强的相互作用来构建高效的量子接口。其主要包括光纤微腔的烧制、组装、测试和超高真空环境中的主动锁定等以及冷原子系统与光纤微腔之间的集成和表征。在该项目的支持下，我们成功完整搭建了一套基于CO2激光的光纤微腔制备装置，并通过精密光学平移台实现光纤微腔的组装和性能测试；通过自制的可兼容超高真空的光纤真空接口实现光纤微腔在超高真空腔中的主动锁定。实现光纤微腔与冷原子在同一超高真空腔中的结合，并在实验上观测到真空拉比劈裂，这表明通过该装置实现了强耦合现象。实验测试结果表明我们可以在镀铜光纤上制备出曲率半径在170微米左右，腔长为120微米以下的光纤微腔，且精细度最高可达120000；系统耦合作用的强度为2*Pi*40MHz。通过侧向泵浦原子和探测输出的光子，初步实现腔内Purcell效应。这些结果表明基于光纤微腔的腔量子电动力学系统已经搭建成功，强耦合效应为后续利用其进行量子接口和量子网络等的研究铺平了道路。