基于镱原子与硅纳米光子学的通信波段量子光学

电信窗口（约1.25-1.65微米）的波长由于光纤网络中的低传输损耗而成为量子通信的理想选择。为了实现在这些波长下运行的量子网络，需要开发以高效率与通信波段光子耦合的长寿命量子存储器。我们提出将具有强通信波长跃迁的中性镱原子耦合到硅光子晶体腔。具体而言，我们考虑中性 $^{171}$Yb 中的 $3P_0$-$3D_1$ 跃迁，以将其亚稳态 $3P_0$ “时钟”态中的长寿命核自旋与波长为1.4微米的通信波段光子接口。我们表明，可以使用短波长（约470 nm）光镊在距硅光子晶体腔350 nm处囚禁Yb原子。在该距离下，由于较长波长处缓慢衰减的倏逝腔场，我们获得了单光子拉比频率 $g/(2\pi)\sim 100$ MHz 和协作度 $C\sim 47$，同时保持了进入单模光纤的高光子收集效率。高系统效率、通信波段运行和长相干时间的结合使该平台非常适合于硅芯片上的量子光学和远距离量子通信。