Generating correlations between photons via interaction with nanofiber-trapped atoms

Abstract

Die Erzeugung korrelierter Photonen ist eine besondere Herausforderung der modernen Quantenoptik, da Photonen intrinsisch nicht miteinander wechselwirken. Die Wechselwirkungen zwischen unkorrelierten Photonen, verbunden mit dem Ziel komplexe Vielteilchenzustände von Photonen zu erzeugen, wird daher seit Langem angestrebt. Typischerweise erfordern solche Wechselwirkungen eine hohe Nichtlinearität, die durch stark an eine optische Mode gekoppelte Quantenemitter realisiert werden kann. Solche Ansätze werden jedoch oft durch unvermeidliche Dissipation in Form von Photonenverlust erheblich beeinträchtigt, was zu einer Reduktion der Korrelationen führt. In dieser Arbeit demonstriere ich einen experimentellen Ansatz, bei dem wir ein stark dissipatives Medium verwenden, welches schwach an ein Lichtfeld gekoppelt ist, um stark korrelierte Lichtzustände zu erzeugen. Das Herz unseres Systems ist eine optische Nanofaser, deren Durchmesser kleiner ist als die Lichtwellenlänge. An dieser Nanofaser fangen wir neutrale Cäsiumatome in zwei 1-dimensionalen Gittern, die durch eine optische Zweifarben-Dipolfalle erzeugt werden. Die nicht miteinander wechselwirkenden gefangenen Atome koppeln schwach an die in der Nanofaser geführte Mode. Jedes Atom kann einen kleinen Bruchteil des Lichts aus der Faser heraus streuen, was den dissipativen Teil der Atom-Licht-Wechselwirkung darstellt. Dadurch wird die Anzahl unkorrelierter Photonen reduziert. Die Tatsache, dass ein Atom immer nur ein Photon zur gleichen Zeit absorbieren kann, erzeugt jedoch Korrelationen zwischen Photonen, die zur gleichen Zeit am Atom ankommen. Die gestreuten Photonen sind spektral verstimmt und werden daher weniger absorbiert. Die große Anzahl von Atomen im System verstärkt die dissipativen und nichtlinearen Effekte, was zu stark korrelierten Photonen am Ausgang der Nanofaser führt.Wir messen die im transmittierten Lichtfeld induzierten Korrelationen zweiter Ordnung mit Hilfe eines Hanbury-Brown-Twiss-Aufbaus. Dafür senden wir ein schwaches resonantes Lichtfeld durch die Nanofaser, wo es mit einem Ensemble schwach-gekoppelter Atome wechselwirkt. Wir beobachten, dass wir durch Änderung der Anzahl der Atome im Ensemble die Wechselwirkung zwischen den Photonen von “nicht-wechselwirkend“ über “abstoßend“ bis “attraktiv“ einstellen können, was sich in den Messdaten durch den Übergang von “no bunching“ zu “antibunching“ zu “bunching“ äußert. Diese Realisierung einer kollektiv erhöhten Nichtlinearität eröffnet neue Wege zur Erzeugung nicht-klassischer Lichtzustände.

Generating correlated photons is an outstanding challenge of modern quantum optics owing to the inherently non-interacting nature of photons. Mediating interactions between uncorrelated photons to generate complex many-body states of photons has therefore been long sought for. Typically, such interactions require a high nonlinearity realized by quantum emitters strongly coupled to an optical mode. However, such approaches are often significantly impaired by unavoidable dissipation in the form of photon loss, which leads to a reduction of the correlations.In this thesis, I will demonstrate an experimental approach where we use a strongly dissipative medium weakly coupled to a light field to generate strongly correlated states of light. Key to our system is a subwavelength diameter optical nanofiber, around which we trap neutral Cesium atoms in two linear arrays using a two-color optical dipole trap. The mutually non-interacting trapped atoms couple weakly to the guided mode of the nanofiber. Each atom can scatter a small fraction of the light out of the fiber which is the dissipative part of the atom-light interaction, thereby, reducing the number of uncorrelated photons. However, the fact that an atom can only absorb one photon at a time, generates correlations between photons that arrive at the atom at the same time. The scattered photons are spectrally detuned and, therefore, less absorbed. The large number of atoms in the system collectively enhances the dissipative and nonlinear effects, leading to highly correlated photons at the output of the nanofiber.In the experiment, we launch a weak resonant light field through the nanofiber where it interacts with an ensemble of weakly-coupled atoms. We measure the second-order correlations induced in the transmitted light field via a Hanbury-Brown-Twiss setup. We observe that by changing the number of atoms in the ensemble, we are able to tune the interaction between the photons from non-interacting to repulsive to attractive, which we observe as a transition from no bunching to antibunching to bunching, respectively. This realization of a collectively enhanced nonlinearity opens new avenues for generating nonclassical states of light.