Quantum light source using Rydberg atoms in an optical cavity

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K13479
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 鈴木 はるか (丹治はるか) 電気通信大学, レーザー新世代研究センター, 准教授 (40638631)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: リュードベリ原子 / 光共振器 / 単一光子

Outline of Annual Research Achievements

令和二年度は、光共振器中のリュードベリ原子を利用した高効率な単一光子発生のためのパラメータの詳細な検討、リュードベリ励起用光源の改良およびそれを用いたリュードベリ励起の観測、冷却原子集団におけるリュードベリ励起のための光学系の構築、光共振器ミラーの特性評価、光子統計評価システムの構築を行った。
パラメータの検討については、目標とする単一光子発生確率を得るために必要なリュードベリ原子の主量子数の最低値およびその際に必要な励起光強度の算出を行った。続いて、その結果得られたパラメータを実現するために、リュードベリ励起用の波長480 nmの光源の改良を行った。具体的には、波長960 nm の基本波から波長480 nm の倍波を発生させるためのbow-tie型共振器への基本波のモードマッチを改良することで、最終的に得られる倍波のパワーを増大させた。また、結晶の温度調整機構の抜本的な改良を行い、前年度よりもさらに温度の安定性を高め、温度位相整合を改善した。さらに、室温の飽和ガスセルを利用して、実際に単一光子発生に利用する主量子数でのリュードベリ励起を観測した。また、実際に冷却原子においてリュードベリ集団励起状態を生成するための光学系を構築した。
一方、単一光子発生の確率を向上させるために用いる非対称光共振器については、二種類の反射率を持つミラーのうち、高反射ミラーの特性評価を行い、透過および散乱損失の合計を見積もった。
光子統計評価システムについては、二つの単一光子検出器からの信号をマルチチャンネルスケーラーに入力することで取得された光子数データを用いて入力光の自己相関関数を計算する系を構築し、動作確認を行った。
これらの結果、冷却原子を用いたリュードベリ集団励起状態の生成の目処が立ち、単一光子発生を行うための原子の準備が概ね整った。