Single-photon transfer in a dispersion-engineered chiral waveguide

Abstract

Der perfekte Transfer von einzelnen Photonen in Quantensystemen ist entscheidend für die Weiterentwicklung von Quanteninformations- und Quantenkommunikationstechnologien. Chirale Wellenleiter-Quantenelektrodynamik (QED) stellt eine vielversprechende Plattform in diesem Kontext dar. In chiralen eindimensionalen (1D) Wellenleitern wird die Photonen-emission aufgrund der Spin-Orbit Wechselwirkung von Licht unidirektional. Im Prinzip würde dies einem Qubit ermöglichen, ein Photon mit Wahrscheinlichkeit eins in Richtung eines zweiten Qubits zu emittieren, was zu einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Absorption durch letzteres führt. In einem chiralen Wellenleiter mit linearer Dispersion ist die Absorption von einzelnen Photonen jedoch fundamental limitiert bei etwa 54%, aufgrund der Einschränkungen der Form des Einzelphotonenpulses durch die Zeitumkehrsymmetrie der Schrödingergleichung. In der Literatur wurden diese Einschränkungen der Pulsform für effiziente Absorption mittels Hohlraumresonatoren, spektraler Modifizierung der Kopplungen oder Modellierung von zeitabhängigen Kopplungen überwunden. In dieser Arbeit untersuchen wir eine alternative Methode, nämlich die Dispersionsrelation des chiralen Wellenleiters so zu konstruieren, dass der Einzelphotonenpuls nur durch die freie Propagation im Wellenleiter deformiert wird, um seine Absorption zu verbessern. Konkret untersuchen wir ein System aus zwei identischen Qubits, welche chiral an einen 1D Wellenleiter gekoppelt sind. Durch numerische Optimierung erhalten wir jene Dispersionsrelation, welche die Absorption eines spontan emittierten Photons durch das zweite Qubit maximiert. In der Optimierung wird die Absorption maximiert, indem der räumliche Überlapp zwischen dem propagierenden Puls, welcher aufgrund der Dispersionsrelation deformiert wird, und dem zeitumgekehrten ursprünglich emittierten Puls optimiert wird. Alle Rechnungen und numerische Simulationen werden unter der Markov-Approximation ausgeführt. Die Resultate werden durch exakte Diagonalisierung verifiziert. Wir zeigen, dass durch die Konstruktion der Dispersionsrelation in einem chiralen Wellenleiter der Transfer von einzelnen Photonen im Vergleich zu einer linearen Dispersionsrelation verbessert wird. Zusätzlich legt unsere Arbeit nahe, dass die Untersuchung des nicht-Markov’schen Regimes notwendig ist, um die Effizienz des Transports von einzelnen Photonen weiter zu erhöhen.

The perfect transfer of single photons in quantum systems is crucial for advancing quantum information and quantum communication technologies. Chiral waveguide quantum electrodynamics (QED) setups serve as promising platforms in this context. In chiral one-dimensional (1D) waveguides, photon emission becomes unidirectional due to the spin-orbit interaction of light. In principle, this would allow a qubit to emit a photon with unit probability towards a second qubit, increasing the probability of absorption by the latter. However, with a linear dispersion relation in the chiral waveguide, single-photon absorption is fundamentally limited to about 54% due to the constraints on the shape of the single-photon pulse governed by the time-reversal symmetry of the Schrödinger equation. In the literature, these constraints on the pulse shape for efficient absorption have been overcome by using cavities, spectrally engineering the couplings or modeling time-dependent couplings. In this thesis, we explore an alternative approach, namely to engineer the dispersion relation of the chiral waveguide such that the single-photon pulse is reshaped, just by free propagation in the waveguide, to enhance its absorption. Specifically, we investigate a system of two identical qubits, which are chirally coupled to a 1D photonic waveguide. By numerical optimization, we find the dispersion relation that maximizes the absorption of a spontaneously emitted photon by the second qubit. In the optimization, the absorption is maximized by optimizing the spatial overlap between the propagating single-photon pulse, which is deformed according to the dispersion relation, and the time-reversed initial pulse. All calculations and numerical simulations are carried out under the Markov approximation. The results are verified by exact diagonalization. We demonstrate that by engineering the dispersion relation in a chiral waveguide, the single-photon transfer is improved compared to a linear dispersion relation. Additionally, our work suggests that exploring the non-Markovian regime is necessary to further enhance the single-photon transfer efficiency.