A Controlled Phase Gate Between a Single Atom and an Optical Photon

این پایان نامه در مورد گام های اصلی به سوی تحقق شبکه های کوانتومی مقیاس پذیر گزارش می دهد. این به اجرای آزمایشی یک مکانیسم برهمکنش قطعی بین فوتون های نوری در حال پرواز و یک اتم به دام افتاده می پردازد. به طور خاص، تشخیص غیر مخرب یک فوتون نوری را نشان می دهد. برای این منظور، تک اتم های روبیدیم در یک شبکه نوری سه بعدی در مرکز یک حفره نوری در رژیم جفت قوی به دام افتاده اند. کنترل کامل حالت اتمی - موقعیت، حرکت و حالت الکترونیکی آن - با پرتوهای لیزری که در امتداد تشدید کننده و از کنار اعمال می شود به دست می آید. هنگامی که پالس های لیزر ضعیف از رزوناتور منعکس می شوند، حالت ترکیبی اتم-فوتون یک تغییر فاز وابسته به حالت به دست می آورد. در اولین سری از آزمایش‌ها، از این روش برای شناسایی غیرمخرب فوتون‌های نوری با اندازه‌گیری حالت اتمی پس از فرآیند بازتاب استفاده می‌شود. سپس بیت‌های کوانتومی در قطبش پالس لیزر و در حالت زیمن اتم کدگذاری می‌شوند. تغییر فاز وابسته به حالت واسطه یک دروازه کوانتومی جهانی قطعی بین اتم و یک یا دو فوتون منعکس شده متوالی است که برای تولید حالت‌های اتم-فوتون، اتم- فوتون- فوتون و فوتون- فوتون درهم تنیده خارج از حالت‌های ورودی قابل تفکیک استفاده می‌شود.

This thesis reports on major steps towards the realization of scalable quantum networks. It addresses the experimental implementation of a deterministic interaction mechanism between flying optical photons and a single trapped atom. In particular, it demonstrates the nondestructive detection of an optical photon. To this end, single rubidium atoms are trapped in a three-dimensional optical lattice at the center of an optical cavity in the strong coupling regime. Full control over the atomic state — its position, its motion, and its electronic state — is achieved with laser beams applied along the resonator and from the side. When faint laser pulses are reflected from the resonator, the combined atom-photon state acquires a state-dependent phase shift. In a first series of experiments, this is employed to nondestructively detect optical photons by measuring the atomic state after the reflection process. Then, quantum bits are encoded in the polarization of the laser pulse and in the Zeeman state of the atom. The state-dependent phase shift mediates a deterministic universal quantum gate between the atom and one or two successively reflected photons, which is used to generate entangled atom-photon, atom-photon-photon, and photon-photon states out of separable input states.