Nonlinear quantum optics using Rydberg excitons

使用里德堡激子的非线性量子光学

基本信息

  • 批准号:
    2887904
  • 负责人:
  • 金额:
    --
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    英国
  • 项目类别:
    Studentship
  • 财政年份:
    2023
  • 资助国家:
    英国
  • 起止时间:
    2023 至 无数据
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The 20th century has witnessed the birth of quantum mechanics, a microscopic theory which defied every bit of intuition regarding the world around us. This discovery, led to pioneering insights about the nature of light, matter, and their interaction at the absolute smallest scales. Subsequently, this gave birth to a new era of technological civilisation with the invention of semiconductors, and the laser. Now, we are at the dawn of a second quantum revolution, where it is thought to be responsible for most of the key technological advancements of the 21st century. From virtually unhackable communications, to synthetic materials with exotic properties, quantum technologies constitute the common denominator for these advancements.While the scientific community is pushing towards the implementation of quantum hardware on a variety of platforms, a prominent candidate that has recently emerged as a solid-state solution is the cuprous oxide. Owning to its large binding energy and high optical purity, observation of Rydberg-state excitations was possible in samples of naturally occurring cuprous oxide. Rydberg excitations possess exaggerated properties like large radii and transition dipole moments, strong polarisability and long radiative lifetimes, controlled by state selection and application of external fields. These properties lead to strong van der Waals forces between different excitations within the crystal, that dominate over several microns. This grants capability to engineer interactions between spatially separated spins and photons, while preserving state read-out capability via optical means.This work is multi-faceted, and firstly we will focus on the growth of synthetic cuprous oxide micro-crystals that are of high optical purity, at the available thin-film deposition and annealing facilities at the University of Oxford. While working on synthetic crystal growth, an effort will run in parallel to design and assemble an all-optical experiment operating at cryogenic temperatures which will be the main characterisation station. Characterisation of the samples will be made possible by employing reflection-based photoluminescence spectroscopy, both at zero and finite magnetic fields, and real-space microscopy techniques like scanning confocal microscopy. Spectroscopy will allow us to probe the quality of the synthetic samples, while scanning confocal microscopy will allow to construct photoluminescence maps and grant the option to deterministically steer the beam to optically active areas of interest. Moreover, a combination of continuous-wave and pulsed lasers will aid in tailoring and characterising the spin-state of the Rydberg excitations. At a later stage, this project will focus on the deterministic positioning of individual micro-crystals on a platform that is compatible with current chip manufacturing industry-standards and investigate the possibility of integrating this platform with electronic and photonic components, as a pathway towards on-chip programmable quantum simulation of spin models.This project falls under the "Quantum optics and information" research area.
20世纪见证了量子力学的诞生,量子力学是一种微观理论,它违反了关于我们周围世界的所有直觉。这一发现导致了关于光,物质及其相互作用在绝对最小尺度上的性质的开创性见解。随后,这通过半导体和激光发明了技术文明的新时代。现在,我们正处于第二次量子革命的曙光中,被认为是21世纪的大部分关键技术进步负责。从几乎不可用的通信到具有异国情调特性的合成材料,量子技术构成了这些进步的共同点。尽管科学界正在推动在各种平台上实施量子硬件,这是一个著名的候选人,这是一个最近作为固态解决方案出现的固态解决方案。在其较大的结合能和较高的光学纯度上,在天然存在的氧化乡土的样品中可以观察到Rydberg-State激发。 Rydberg激发具有夸张的特性,例如大半径和过渡偶极矩,强极性和长时间的辐射寿命,并由州的选择和外部场的应用控制。这些特性导致晶体内不同激发之间的强大范德华力在几微米上占主导地位。这赋予了工程在空间分离的旋转和光子之间进行工程相互作用的能力,同时通过光学手段保留了状态读出的能力。这项工作是多方面的,首先,我们将专注于合成的氧化物氧化物微晶体的增长,这些氧化物微型晶体具有高光学纯度,具有高度的光学纯度,可在可用的薄薄片式的建筑和牛津大学的现有薄片式的设施上。在研究合成晶体生长的同时,将与设计并组装在将是主要特征站的低温温度下运行的全光实验。通过采用基于反射的光致发光光谱,在零和有限磁场上,以及扫描共共聚焦显微镜等实际空间显微镜技术,将实现样品的表征。光谱学将使我们能够探测合成样品的质量,而扫描共聚焦显微镜将允许构建光致发光图并授予确定性地将光束引导到光学上有效的目标区域的选项。此外,连续波和脉冲激光器的结合将有助于调整和表征Rydberg激发的自旋状态。在稍后的阶段,该项目将重点介绍与当前芯片制造业行业标准兼容的平台上单个微晶的确定性定位,并调查将该平台与电子和光子组件集成在一起的可能性,作为通向芯片上可编程的量子模拟的途径。Spin模型可在“量子模型”上进行量子量子。

项目成果

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