論文の概要: Efficient, High-Fidelity Single-Photon Switch Based on Waveguide-Coupled Cavities

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2402.05714v3
• Date: Thu, 17 Oct 2024 08:03:09 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2024-10-18 17:04:12.557815
• Title: Efficient, High-Fidelity Single-Photon Switch Based on Waveguide-Coupled Cavities
• Title（参考訳）: 導波管結合キャビティを用いた高効率高忠実光スイッチ
• Authors: Mateusz Duda, Luke Brunswick, Luke R. Wilson, Pieter Kok,
• Abstract要約: 2レベルエミッタを埋め込んだ導波管結合型キャビティは,高効率な単一光子スイッチとして機能することを示す。 単一導波路結合キャビティは入力された光子波パケットをほぼ均一効率と忠実度でルーティングできることがわかった。 このような効率的で高忠実な単一光子ルーティングは、スケーラブルなフォトニック量子技術に不可欠である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: We demonstrate theoretically that waveguide-coupled cavities with embedded two-level emitters can act as a highly efficient, high-fidelity single-photon switch. The photon switch is an optical router triggered by a classical signal -- the propagation direction of single input photons in the waveguide is controlled by changing the emitter-cavity coupling parameters in situ, for example using applied fields. The switch reflects photons in the weak emitter-cavity coupling regime and transmits photons in the strong coupling regime. By calculating transmission and reflection spectra using the input-output formalism of quantum optics and the transfer matrix approach, we obtain the fidelity and efficiency of the switch with a single-photon input in both regimes. We find that a single waveguide-coupled cavity can route input photon wave packets with near-unity efficiency and fidelity if the wave packet width is smaller than the cavity mode linewidth. We also find that using multiple waveguide-coupled cavities increases the switching bandwidth, allowing wider wave packets to be routed with high efficiency and fidelity. For example, an array of three waveguide-coupled cavities can reflect an input Gaussian wave packet with a full width at half-maximum of 1 nm (corresponding to a few-picosecond pulse) with an efficiency E_r = 96.4% and a fidelity F_r = 97.7%, or transmit the wave packet with an efficiency E_t = 99.7% and a fidelity F_t = 99.8%. Such efficient, high-fidelity single-photon routing is essential for scalable photonic quantum technologies.
• Abstract（参考訳）: 導波管と2レベルエミッタを埋め込んだ共振器が高効率で高忠実な単一光子スイッチとして機能できることを理論的に実証する。 光スイッチは、古典的な信号によってトリガされる光ルータであり、例えば印加磁場を用いて、シチュー内のエミッタ・キャビティ結合パラメータを変更して導波路内の単一入力光子の伝搬方向を制御する。 スイッチは弱いエミッタ-キャビティ結合状態の光子を反射し、強い結合状態の光子を伝達する。 量子光学の入力出力形式と転送行列アプローチを用いて透過スペクトルと反射スペクトルを計算することにより、スイッチの忠実度と効率を両状態の単一光子入力で求める。 導波管を結合した単一共振器は、導波管幅が共振器モードの線幅よりも小さい場合、入力光子波のパケットをほぼ均一効率と忠実度でルーティングすることができる。 また、複数の導波管結合キャビティを用いることで、スイッチング帯域を増大させ、より広い波長パケットを高効率かつ忠実にルーティングできるようにする。 例えば、3つの導波管結合キャビティの配列は、効率E_r = 96.4%、忠実F_r = 97.7%、忠実F_t = 99.8%の半最大1nmの入力ガウス波パケットを反射するか、効率E_t = 99.7%、忠実F_t = 99.8%で送信することができる。 このような効率的で高忠実な単一光子ルーティングは、スケーラブルなフォトニック量子技術に不可欠である。

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