Источники и детекторы одиночных фотонов на основе микро- и нанооптических структур
Аннотация
Дан краткий обзор применения микро- и наноструктур в современной фотонике. Отмечено, что для современной информатики особый интерес представляют технологии фабрикования высокодобротных волноводов и микрорезонаторов, с помощью которых можно локализовать фотоны, изолировать их от внешней среды. В работе развита теория дискретного когерентного фотодетектирования фоковских состояний моды микрорезонатора. Развита схема фотодетектора, различающего однофотонные и двухфотонные состояния поля. Здесь в качестве зонда предлагается использовать пакет из атомов, размещенный в микрорезонаторе. С помощью зондов, косвенно, можно определять состояние квантовой моды резонатора, тестируя энергетические состояния атомов пакета после окончания их взаимодействия с модой в течение строго определенного времени взаимодействия. Развита теория генератора однофотонных состояний моды микрорезонатора. Накачка микрорезонатора осуществляется полем резонансной флуоресценции от одного атома-источника, возбуждаемого внешним классическим полем. Однофотонное состояние моды обнаруживается с помощью процесса дискретного когерентного фотодетектирования. Как показано в работе, параметры детектора можно выбрать так, что в момент получения информации о возбужденном состоянии атома-зонда можно однозначно сделать вывод о состоянии моды резонатора. Условная редуцированная матрица плотности моды будет соответствовать чистому фоковскому однофотонному состоянию.
Ключевые слова
оптические нано- и микроструктуры,
микрорезонатор,
дискретное когерентное фотодетектирование,
детектор фоковских состояний,
генератор однофотонных состояний
При поддержке: Работа поддержана государственным контрактом №П689 на выполнение поисковых научно-исследовательских работ для государственных нужд (P689_NK-526P) и НИОКР РК10186.
Об авторе
Г. П. Мирошниченко
Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики
Россия
Россия
Санкт-Петербург
Список литературы
1. O’Brien J. L., Furusawa A., Vuˇckovi´c J. Photonic quantum technologies // Nature Photonics, 2009, 3, P. 687– 695.
2. Nielsen M. A., Chuang I. L. Quantum Computation and Quantum Information, Cambridge University Press, Cambridge, 2000.
3. Bouwmeester D., Ekert A.,Zeilinger A., The Physics of Quantum Information, Springer, Berlin, 2000.
4. Knill E., Laflamme R., Milburn G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics // Nature, 2001, 409, P. 46–52.
5. Kok P., Munro W.J., Nemoto K., Ralph T.C., Dowling J.P., Milburn G.J. Linear optical quantum computing with photonic qubits // Rew. Mod. Phys., 2007, 79, P. 135.
6. Elliott C. Building the quantum Network // New Journal of Physics, 2002, 4, P. 46.1–46.12.
7. Kimble H. J. The Quantum Internet // Nature, 2008, 453, P. 1023.
8. Tanabe T., Notomi M., Taniyama H., Kuramochi E. Dynamic release of trapped light from an ultrahigh-q nanocavity via adiabatic frequency tuning // Phys. Rev. Lett., 2009, 102, 043907.
9. Maitre X., Hagley E., Nogues G., Wunderlich C., Goy P., Brune M., Raimond J. M., Haroche S. Quantum memory with a single photon in a cavity // Phys. Rev. Lett., 1997, 79, т 4, P. 769-772.
10. Leung P. M., Ralph T. C. Quantum memory scheme based on optical filters and cavities // Phys. Rev. A, 2006, 74, 022311.
11. Pittman T. B., Franson J. D. Cyclical quantum memory for photonic qubits // Phys. Rev. A. 2002. 66, 062302.
12. Pittman T. B., Jacobs B. C., Franson J. D. Single photons on pseudodemand from stored parametric down-conversion // Phys. Rev. A., 2003, 66, 042303.
13. Sangouard N., Simon Ch., Minar J., Zbinden H., de Riedmatten H., Gisin N. Long-distance entanglement distribution with single-photon sources // Phys. Rev. A., 2007, 76, 050301.
14. Duan L. M., Lukin M. D., Cirac J. I., Zoller P. Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics // Nature, 2001, 414, P. 413.
15. Vasilyev D. V., Sokolov I. V., Polzik E. S. Quantum memory for images: A quantum hologram // Phys. Rev., 2008, 77, 020302.
16. Castelletto S. A., Scholten R. E. Heralded single photon sources: a route towards quantum communications technology and photon standards // Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2008, 41, P. 181–194.
17. Kumar P., Kwiat P., Migdall A., Nam S., Vuckovic J., Wong F.N.C. Photonic technologies for quantum information processing // Quantum Inf. Processing, 2004, 3, 215.
18. Vahala K. J. Optical microcavities // Nature, 2003, 424, P. 839–846.
19. Braginsky V. B., Gorodetsky M. L., Ilchenko V. S. Quality-factor and nonlinear properties of optical whispering-gallery modes // Physics Letters A, 1989, 137, P. 393–397.
20. Yong Yang, Yun-Feng Xiao, Chun-Hua Dong, Jin-Ming Cui, Zheng-Fu Han, Guo-Dong Li, Guang-Can Guo. Fiber-taper-coupled zeolite cylindrical microcavity with hexagonal cross section // Appl. Opt., 2007, 46, P. 7590– 7593
21. Kippenberg T. J., Kalkman J., Polman A., Vahala K. J. Demonstration of an erbium-doped microdisk laser on a silicon chip // Physical Review A, 2006, 74, 051802.
22. Faraon A., Englund D., Fushman I., Vuckovic J., Waks E. Efficient photonic crystal cavity-waveguide couplers // Applied Physics Letters, 2007, 90, 073102.
23. Walmsley I. A. Looking to the future of quantum optics // Science, 2008, 319, P. 1211–1213.
24. O’Brien J. L. Optical quantum computing // Science, 2007, 318, P. 1567-–1570.
25. Politi A., Cryan M. J., Rarity J. G., Siyuan Yu., O’Brien J. L. Silica-on-silicon waveguide quantum circuits // Science, 2008, 320, P. 646.
26. Darqui´e B., Jones M., Dingjan J., Beugnon J., Bergamini S., Sortais Y., Messin G., Browaeys A., Grangier P. Controlled single-photon emission from a single trapped two-level atom // Science, 2005, 309, P. 454–456.
27. Noh J. // J. Korean Phys. Soc., 2004, 44, 271.
28. Ottaviani C., Rebic S., Vitali D., Tombesi P., Quantum Phase Gate Operation Based on Nonlinear Optics: Full Quantum Analysis // Phys. Rev., 2006, 73, 010301.
29. Brattke S., Varcoe B.T.H., Walther H. Generation of Photon Number States on Demand via Cavity Quantum Electrodynamics // Phys. Rev. Lett., 2001, 86 , P. 3534-3537.
30. Chuang I. L., Yamamoto Y. Simple Quantum Computer // Phys. Rev. A, 1995, 52, P. 3489-3496.
31. Castelletto S. A., Scholten R. E. Heralded single photon sources: a route towards quantum communications technology and photon standards // Eur. Phys. J. Appl. Phys., 2008, 41, P. 181–194.
32. Shields A. J. Semiconductor quantum light sources // Nature Photonics, 2007, 1, 215-223.
33. Grossmann T., Hauser M., Beck T., Gohn-Kreuz C., Karl M., Kalt H., Vannahme Ch., Mappes T. High-Q conical polymeric microcavities // Appl. Phys. Lett., 2010, 96, 013303.
34. Журавлев М. В. Пороговая мощность вынужденного температурного рассеяния в кварцевых микрорезонаторах // ЖТФ, 2010, 80, вып. 6, С. 135–137.
35. Heindel T., Schneider C., Lermer M., Kwon S. H., Braun T., Reitzenstein S., Hofling S., Kamp M., Forchel A. Electrically driven quantum dot-micropillar single photon source with 34% overall efficiency // Appl. Phys. Lett., 2010, 96, 011107.
36. He L., Ozdemir S. K., Zhu J., Yang L. Self-pulsation in fiber-coupled, on-chip microcavity lasers // Opt. Lett., 2010, 35, P. 256–258.
37. Bommer M., Schulz W.–M., Thomay T., Tomas M., Rossbach R., Jetter M., Leitenstorfer A., Bratschitsch R., Michler P. // J. Phys.: Conf.Ser., 2010, 210, 012010.
38. Beveratos A., Brouri R., Poizat J.-P., Grangier P. // arXiv:quant-ph/0010044, 2000.
39. Martin A., Cristofori V., Aboussouan P., Herrmann H., Sohler W., Ostrowsky D.B., Alibart O., Tanzilli S. // arXiv: quant-ph/ 0901.2815, 2009.
40. U’Ren A. B., Silberhorn C., Banaszek K., Walmsley I. A. Efficient Conditional Preparation of High-Fidelity Single Photon States for Fiber-Optic Quantum Networks // Phys. Rev. Lett., 2004, 93, 093601.
41. Halder M., Beveratos A., Thew R. T., Jorel C., Zbinden H., Gisin N. High coherence photon pair source for quantum communication // New J. Phys., 2008, 10, 023027.
42. Fulconis J., Alibart O., O’Brien J.L., Wadsworth W.J., Rarity J.G. // arXiv:quant-ph/0611232, 2006.
43. Cui Liang, Li Xiao-Ying, Fan Hai-Yang, Yang Lei, Ma Xiao-Xin // Chin. Phys. Lett., 2009, 26, т 4, 044209.
44. Prochazka I., Hamal K., Sopko B. Recent achievements in single photon detectors and their applications // J. Mod. Opt., 2004, 51, т 9/10, P. 1289-–1313.
45. Gansen E.J., Rowe M.A., Greene M.B., Rosenberg D., Harvey T.E., Su M.Y., Hadfield R.H., Nam S.W., Mirin R.P. Photon-number-discriminating detection using a quantum-dot, optically gated, field-effect transistor // Nature Photon., 2007, 1, P. 585–588.
46. Kardunal B.E.,Yuan Z.L.,Shields A.J. An avalanche-photodiode-based photon-number-resolving detector // Nature Photon., 2008, 2, P. 425–428.
47. Jiang L. A., Dauler E. A., Chang J. T. Photon-number-resolving detector with 10 bits of resolution // Phys. Rev. A, 2007, 75, 062325.
48. Waks E., Inoue K., Oliver W. D., Diamanti E., Yamamoto Y. // ArXiv: quant-ph/0308054, 2003.
49. Li H. W., Kardynal B. E., See P., Shields A. J., Simmonds P., Beere H. E., Ritchie D. A. Quantum dot resonant tunneling diode for telecommunication wavelength single photon detection // Appl. Phys. Lett., 2007, 91, 073516.
50. Fitch M. J., Jacobs B. C., Pittman T. B., Franson J. D. Photon-number resolution using time-multiplexed single-photon detectors // Phys. Rev. A, 2003, 68, 4, 043814.
51. Achilles D., Silberhorn Ch., Sliwa C., Banaszek K., Walmsley I. A. Fiber-assisted detection with photon number resolution // Opt. Lett., 2003, 28, P. 2387-2389.
52. Rohde P. P. Non-deterministic approximation of photon number discriminating detectors using non-discriminating detectors // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt., 2005, 7, P. 82-86.
53. Kok P., Braunstein S. L. Detection devices in entanglement-based optical state preparation // Phys. Rev. A, 2001, 63, 033812.
54. Bloembergen N. Solid state infrared quantum counters // Phys. Rev. Lett., 1959, 2, P. 84–85.
55. Mandel L. Antinormally ordered correlations and quantum counters // Phys. Rev. A, 1966, 152, P. 438–451.
56. Басов Н. Г., Крохин О. Н., Попов Ю. М. Генерация, усиление и индикация инфракрасного и оптического излучений с помощью квантовых систем // УФН, 1960, 72, № 10.
57. Varcoe B. T. H., Brattke S., Walther H. The creation and detection of arbitrary photon number states using cavity QED // New J. Phys., 2004, 6, 97.
58. Walther H. Generation and detection of photon number states on demand // Quantum Computers and Computing, 2005, 5 (1), P. 89–102.
59. Lloyd S., Shahriar M.S., Shapiro J.H., Hemmer P.R. Long distance, unconditional teleportation of atomic states via complete Bell state measurements // Phys. Rev. Lett., 2001, 87, 167903.
60. Pellizzari T., Gardiner S.A., Cirac J.I., Zoller P., Decoherence, continuous observation, and quantum computing: a cavity QED model // Phys. Rev. Lett., 1995, 75, P. 3788–3791.
61. Мирошниченко Г. П. Измерение статистических характеристик квантованной моды в различных режимах фотодетектирования // ЖЭТФ, 2007, 131, вып. 5, C. 829–841.
62. Мирошниченко Г. П. Статистика дискретного фотодетектирования резонансной флуоресценции на «боковых» резонансах Моллоу // ЖЭТФ, 2008, 134, вып. 6, С. 1115-1124.
63. Мирошниченко Г. П. Дискретное фотодетектирование квантовых скачков на V-конфигурации атомных уровней // ЖЭТФ, 2009, 136, вып. 2, С. 232–246.
64. Kraus K., Lecture Notes: States, Effects and Operations: Fundamental Notions of Quantum Theory, Springer, New York, 1983.
65. Jung-Tsung Shen, Shanhui Fan. Theory of single-photon transport in a single-mode waveguide. I. Coupling to a cavity containing a two-level atom // Phys. Rev. A, 2009, 79, 023837.
66. Mollow B. R. Power spectrum of light scattered by two-level systems // Phys. Rev., 1969, 188, P. 1969–1975.
Рецензия
Для цитирования:
Мирошниченко Г.П. Источники и детекторы одиночных фотонов на основе микро- и нанооптических структур. Наносистемы: физика, химия, математика. 2011;2(1):47-63.
For citation:
Miroshnichenko G.P. Single photon sources and detectors based on micro- and nanooptical structures. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2011;2(1):47-63. (In Russ.)
Просмотров:
11
Послать статью по эл. почте 