誘発された蓄積イオンの量子もつれの測定

図1

一般に単一光子の放出は、アンチバンチングと呼ばれる発光の挙動を示します。これは、1つ目の光子を検出した後に2つ目の光子を検出する確率が抑制されることを意味します。この単一光子放出体をカルシウムイオンに閉じ込めた形で2個使用することで、2個の単一カルシウムイオンからなる光源を作ることができます。
 
散乱光に生成イオンの情報が含まれていない場合（遠距離場を測定することで実現します。）、この光源の興味深い特性を観察することができます。図1にあるように、2つのイオン系はDicke-Basis 、(Wolf et al. 2020)*で記述することが可能です。興味深いのは、反対称状態|a>はレーザーフィールドとカップリングしません。このイオン系は、対称的な崩壊チャンネルで駆動すると、典型的な単一光子放出であるアンチバンチ光子統計を示すようになりました。もし、イオン系が反対称になるように光子を放出すると、駆動レーザーからは見えなくなり、イオン系を基底状態に戻すために2番目の光子を放出しなければならなくなります。このような短時間に2つの光子が放出される挙動はバンチングと呼ばれ、通常はカオス光源や熱光源にのみ見られるものです。
 
興味深いことに、捕捉されたイオン結晶を観察する角度によって崩壊経路を選択することができ、観察する角度を変えるだけで、非古典的アンチバンチングから古典的バンチングまで、その間のすべての発光統計量を調整可能な光源を実現することができます。

図2

 
 
図2に、使用したセットアップを示します。2個のカルシウムイオンが分割されたポールトラップに収納され、ドップラー限界まで冷却される。放出された蛍光はレンズで集められ、増幅されたCCDカメラでイオン結晶を撮影する。残りの90%の光は90/10ビームスプリッターで反射され、検出器が2つの空間分解LINCamシステムで置き換えられたHanbury-Brown and Twiss (HBT) セットアップに送られます。CCDカメラはイオン結晶の状態を監視するために使用され、イオンが失われたときに測定を一時停止し、結晶の準備ができた時点で測定を再開することができます。HBTのセットアップは、すべての入射ダブルフォトンイベントを、1000*1000空間ピクセルで+-40nsのコインシデンスウィンドウと50psの精度で記録するために使用されます。
 
 
 
またこのイベントストリームから、2次自己相関関数と相互相関関数をオンザフライで計算することができます。計算結果のヒストグラムはライブで表示され、実験の成功をモニターすることができます。

図3

[1]では，アバランシェフォトダイオードとTDC（Time-to-Digital-Converter）を用いて測定が行われた。観察角度はスリットで選ぶ。この方法では、光の大部分が捨てられてしまうため、十分な統計量を得るためには1地点あたり2〜3日の測定が必要となる。図3は、この測定運動の結果を示しています。8つの観測角の取得におよそ30日掛かっています。
 
[2]と図4では、LINCamを使用して、8つ以上の角度を測定することを目的に実験をやり直しました。2台のLINCamを同期して使用することにより、2光子イベントストリームを記録し、それらのイベントをオンザフライで相関させることが可能になりました。測定運動は再び30日かかりましたが、8つの観測角度だけでなく、96の観測角度を実現しました。APDのセットアップでは、この運動は1年間続くはずです。