Optically interfacing a single atom tweezer array for quantum photonics

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01011
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: NAYAK Kali Prasanna 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (70551042)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: Quantum Optics / Nanophotonics / Single Atom Tweezer / Nanofiber Cavity QED / Quantum Photonics / Quantum Information

Outline of Final Research Achievements

In this project, we have aimed to trap an array of single atoms on a nanofiber or nanofiber cavity. We have demonstrated fabrication of photonic crystal cavities on a 300 nm diameter nanofiber using femtosecond laser. This diameter is crucial for trapping single atoms on nanofiber using optical tweezers. We have developed an experimental apparatus equipped with acousto-optic deflector driven by multiple RF-tones to create a 1-D array of tweezers. We have demonstrated trapping and imaging of single atoms in an array of tweezers in free-space.
In a different approach, we have demonstrated strong plasmonic enhancement of spontaneous emission on nanofiber leading to bright and polarized single photon emission into fiber-guided modes.

Free Research Field

原子・分子・量子エレクトロニクス

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

量子コンピュータと量子情報技術の研究は進んでおり、近い将来、社会的、学術的に大きな影響を与える可能性があります。そのため、単一原子と単一光子を制御するための新しい技術の開発が不可欠です。このプロジェクトでは、光ピンセットを使用してナノファイバー上の単一原子アレイをトラップすることを目指しました。自由空間での単一原子アレイのトラップとイメージングを実証しました。この単一原子アレイをナノファイバーと組み合わせることで、ファイバー誘導単一光子を制御するための新しいプラットフォームが可能になり、量子ネットワークに使用できます。