Sistema de Jaynes-Cummings bifotônico como uma fonte de fótons únicos

Abstract

Fontes de fótons únicos são uma tecnologia amplamente requisitada na área de processamento de informação quântica (como computação, criptografia e comunicação quântica. No entanto, uma fonte de fótons únicos ideal é uma tecnologia ainda não alcançada, que pode ser definida por meio de três características: pureza, eficiência e indistinguibilidade. O trabalho aqui proposto visa aplicar se um sistema composto de um átomo de dois níveis acoplado a uma cavidade ressoadora via interação de Jaynes-Cummings de dois fótons como uma fonte de fótons únicos. Tal sistema se mostra promissor quando utilizamos o regime de acoplamento forte, já que o átomo de dois níveis trunca o estado de Fock acessível na cavidade, permitindo que apenas um único fóton, seja absorvido por vez e, em seguida, emitido pela cavidade. Pelo átomo nunca ser populado, ineficiências relacionadas à taxa de emissão espontânea que inviabilizam outros emissores quânticos são impedidas. Tal análise foi feita por meio de soluções numéricas das equações mestras do sistema, realizadas com programação em Python e o pacote de dados QuTip, e da obtenção dos valores que caracterizam uma fonte de fótons ideal aqui já citados, mapeando, também, para quais valores dos diferentes parâmetros obtém-se um resultado ideal. Ao final da atividade, obtivemos uma indistinguibilidade de 98\%, pureza de 0,037 e uma eficiência ideal. Esses resultados são altamente satisfatórios e indicam que o sistema baseado na interação Jaynes-Cummings de dois fótons é um forte candidato para se tornar uma fonte ideal de fótons únicos.

Single photon sources are a widely requested technology in the area of quantum information processing (such as quantum computing, cryptography and communication. However, an ideal single photon source is an as yet unachieved technology, that can be defined through three characteristics: purity, efficiency and indistinguishability. The work proposed here aims to apply whether a system composed of a two-level atom coupled to a resonator cavity via the two-photon Jaynes-Cummings interaction as a single photon source. Such a system shows promise when we use the strong coupling regime, in which the two-level atom truncate the Fock state accessible in the cavity, allowing only a sinle photon to be absorbed at a time, and then emitted by the cavity. Because the atom is never populated, inefficiencies related to the spontaneous emission rate that make other quantum emitters unfeasible are prevented. This analysis was performed through numerical solutions of the system's master equations, carried out using Python programming and the QuTip data package. Additionally, the values characterizing an ideal single-photon source, as mentioned earlier, were obtained, mapping the ideal results for different parameter values. By the end of the activity, we achieved an indistinguishability of 98\%, a purity of 0.037, and ideal efficiency. These results are highly satisfactory and indicate that the system based on the two-photon Jaynes-Cummings interaction is a strong candidate to become an ideal single-photon source.