Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Topological photon pumping in quantum optical systems

Published 8 Apr 2024 in quant-ph, physics.atom-ph, and physics.optics | (2404.05570v3)

Abstract: We establish the concept of topological pumping in one-dimensional systems with long-range couplings and apply it to the transport of a photon in quantum optical systems. In our theoretical investigation, we introduce an extended version of the Rice-Mele model with all-to-all couplings. By analyzing its properties, we identify the general conditions for topological pumping and theoretically and numerically demonstrate topologically protected and dispersionless transport of a photon on a one-dimensional emitter chain. As concrete examples, we investigate three different popular quantum optics platforms, namely Ryd-berg atom lattices, dense lattices of atoms excited to low-lying electronic states, and atoms coupled to waveguides, using experimentally relevant parameters. We observe that despite the long-ranged character of the dipole-dipole interactions, topological pumping facilitates the transport of a photon with a fidelity per cycle which can reach 99.9\%. Moreover, we find that the photon pumping process remains topologically protected against local disorder in the coupling parameters.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (79)
  1. M. Endres, H. Bernien, A. Keesling, H. Levine, E. R. Anschuetz, A. Krajenbrink, C. Senko, V. Vuletic, M. Greiner, and M. D. Lukin, “Atom-by-atom assembly of defect-free one-dimensional cold atom arrays”, Science 354, 1024 (2016).
  2. D. Barredo, S. de Léséleuc, V. Lienhard, T. Lahaye, and A. Browaeys, “An atom-by-atom assembler of defect-free arbitrary two-dimensional atomic arrays”, Science 354, 1021 (2016).
  3. T. Ðorđević, P. Samutpraphoot, P. L. Ocola, H. Bernien, B. Grinkemeyer, I. Dimitrova, V. Vuletić, and M. D. Lukin, “Entanglement transport and a nanophotonic interface for atoms in optical tweezers”, Science 373, 1511 (2021a).
  4. D. Bluvstein, H. Levine, G. Semeghini, T. T. Wang, S. Ebadi, M. Kalinowski, A. Keesling, N. Maskara, H. Pichler, M. Greiner, V. Vuletić, and M. D. Lukin, “A quantum processor based on coherent transport of entangled atom arrays”, Nature 604, 451 (2022).
  5. D. J. Thouless, “Quantization of particle transport”, Phys. Rev. B 27, 6083 (1983).
  6. R. Citro and M. Aidelsburger, “Thouless pumping and topology”, Nat. Rev. Phys. 5, 87 (2023).
  7. D. J. Thouless, M. Kohmoto, M. P. Nightingale, and M. Den Nijs, “Quantized Hall Conductance in a Two-Dimensional Periodic Potential”, Phys. Rev. Lett. 49, 405 (1982).
  8. F. D. M. Haldane, “Topological Quantum Matter”, Int. J. Mod. Phys. B 32, 1830004 (2018).
  9. J. Alicea, “New directions in the pursuit of majorana fermions in solid state systems”, Rep. Prog. Phys. 75, 076501 (2012).
  10. T. Ozawa, H. M. Price, A. Amo, N. Goldman, M. Hafezi, L. Lu, M. C. Rechtsman, D. Schuster, J. Simon, O. Zilberberg, and I. Carusotto, “Topological photonics”, Rev. Mod. Phys. 91, 015006 (2019).
  11. H. Bachmair, E. O. Göbel, G. Hein, J. Melcher, B. Schumacher, J. Schurr, L. Schweitzer, and P. Warnecke, “The von Klitzing resistance standard”, Phys. E: Low-Dimens. Syst. Nanostructures Proceedings of the International Symposium "Quantum Hall Effect: Past, Present and Future, 20, 14 (2003).
  12. Y. E. Kraus, Y. Lahini, Z. Ringel, M. Verbin, and O. Zilberberg, “Topological States and Adiabatic Pumping in Quasicrystals”, Phys. Rev. Lett. 109, 106402 (2012).
  13. M. Verbin, O. Zilberberg, Y. Lahini, Y. E. Kraus, and Y. Silberberg, “Topological pumping over a photonic Fibonacci quasicrystal”, Phys. Rev. B 91, 064201 (2015).
  14. Y. Ke, X. Qin, F. Mei, H. Zhong, Y. S. Kivshar, and C. Lee, “Topological phase transitions and Thouless pumping of light in photonic waveguide arrays”, Laser Photonics Rev. 10, 995 (2016).
  15. A. Cerjan, M. Wang, S. Huang, K. P. Chen, and M. C. Rechtsman, “Thouless pumping in disordered photonic systems”, Light: Sci. Appl. 9, 178 (2020).
  16. I. H. Grinberg, M. Lin, C. Harris, W. A. Benalcazar, C. W. Peterson, T. L. Hughes, and G. Bahl, “Robust temporal pumping in a magneto-mechanical topological insulator”, Nat. Commun. 11, 974 (2020).
  17. Y. Xia, E. Riva, M. I. N. Rosa, G. Cazzulani, A. Erturk, F. Braghin, and M. Ruzzene, “Experimental Observation of Temporal Pumping in Electromechanical Waveguides”, Phys. Rev. Lett. 126, 095501 (2021).
  18. M. Lohse, C. Schweizer, O. Zilberberg, M. Aidelsburger, and I. Bloch, “A Thouless quantum pump with ultracold bosonic atoms in an optical superlattice”, Nat. Phys. 12, 350 (2016).
  19. S. Nakajima, T. Tomita, S. Taie, T. Ichinose, H. Ozawa, L. Wang, M. Troyer, and Y. Takahashi, “Topological Thouless pumping of ultracold fermions”, Nat. Phys. 12, 296 (2016).
  20. H.-I. Lu, M. Schemmer, L. M. Aycock, D. Genkina, S. Sugawa, and I. B. Spielman, “Geometrical pumping with a Bose-Einstein condensate”, Phys. Rev. Lett. 116, 200402 (2016).
  21. Y. Ke, S. Hu, B. Zhu, J. Gong, Y. Kivshar, and C. Lee, “Topological pumping assisted by Bloch oscillations”, Phys. Rev. Res. 2, 033143 (2020).
  22. A. Kitaev, “Periodic table for topological insulators and superconductors”, AIP Conf. Proc. 1134, 22 (2009).
  23. S. Ryu, A. P. Schnyder, A. Furusaki, and A. W. W. Ludwig, “Topological insulators and superconductors: tenfold way and dimensional hierarchy”, New J. Phys. 12, 065010 (2010).
  24. C.-K. Chiu, J. C. Y. Teo, A. P. Schnyder, and S. Ryu, “Classification of topological quantum matter with symmetries”, Rev. Mod. Phys. 88, 035005 (2016).
  25. G. Chaudhary, M. Levin, and A. A. Clerk, “Simple approach to characterizing band topology in bosonic pairing hamiltonians”, Phys. Rev. B 103, 214306 (2021).
  26. F. Dangel, M. Wagner, H. Cartarius, J. Main, and G. Wunner, “Topological invariants in dissipative extensions of the su-schrieffer-heeger model”, Phys. Rev. A 98, 013628 (2018).
  27. S. Lieu, M. McGinley, and N. R. Cooper, “Tenfold way for quadratic lindbladians”, Phys. Rev. Lett. 124, 040401 (2020).
  28. E. J. Bergholtz, J. C. Budich, and F. K. Kunst, “Exceptional topology of non-hermitian systems”, Rev. Mod. Phys. 93, 015005 (2021).
  29. K. Viebahn, A.-S. Walter, E. Bertok, Z. Zhu, M. Gächter, A. A. Aligia, F. Heidrich-Meisner, and T. Esslinger, “Interaction-induced charge pumping in a topological many-body system” (2023), arXiv:2308.03756 [cond-mat.quant-gas].
  30. A.-S. Walter, Z. Zhu, M. Gächter, J. Minguzzi, S. Roschinski, K. Sandholzer, K. Viebahn, and T. Esslinger, “Quantization and its breakdown in a Hubbard–Thouless pump, Nature Physics 19, 1471 (2023).
  31. S. R. Pocock, P. A. Huidobro, and V. Giannini, “Bulk-edge correspondence and long-range hopping in the topological plasmonic chain”, Nanophotonics 8, 1337 (2019).
  32. B. Pérez-González, M. Bello, A. Gómez-León, and G. Platero, “Interplay between long-range hopping and disorder in topological systems”, Phys. Rev. B 99, 035146 (2019).
  33. F. Appugliese, J. Enkner, G. L. Paravicini-Bagliani, M. Beck, C. Reichl, W. Wegscheider, G. Scalari, C. Ciuti, and J. Faist, “Breakdown of topological protection by cavity vacuum fields in the integer quantum hall effect”, Science 375, 1030 (2022).
  34. R. G. Dias and A. M. Marques, “Long-range hopping and indexing assumption in one-dimensional topological insulators”, Phys. Rev. B 105, 035102 (2022).
  35. M. Bello, G. Platero, J. I. Cirac, and A. González-Tudela, “Unconventional quantum optics in topological waveguide qed”, Sci. adv. 5, eaaw0297 (2019).
  36. C. McDonnell and B. Olmos, “Subradiant edge states in an atom chain with waveguide-mediated hopping”, Quantum 6, 805 (2022).
  37. T. F. Allard and G. Weick, “Multiple polaritonic edge states in a su-schrieffer-heeger chain strongly coupled to a multimode cavity”, Phys. Rev. B 108, 245417 (2023).
  38. C. Gross and I. Bloch, “Quantum simulations with ultracold atoms in optical lattices”, Science 357, 995 (2017).
  39. D. E. Chang, J. S. Douglas, A. González-Tudela, C.-L. Hung, and H. J. Kimble, “Colloquium : Quantum matter built from nanoscopic lattices of atoms and photons”, Rev. Mod. Phys. 90, 031002 (2018).
  40. S. de Léséleuc, V. Lienhard, P. Scholl, D. Barredo, S. Weber, N. Lang, H. P. Büchler, T. Lahaye, and A. Browaeys, “Observation of a symmetry-protected topological phase of interacting bosons with Rydberg atoms”, Science 365, 775 (2019).
  41. T. Ðorđević, P. Samutpraphoot, P. L. Ocola, H. Bernien, B. Grinkemeyer, I. Dimitrova, V. Vuletić, and M. D. Lukin, “Entanglement transport and a nanophotonic interface for atoms in optical tweezers”, Science 373, 1511 (2021b).
  42. D. Bluvstein, S. J. Evered, A. A. Geim, S. H. Li, H. Zhou, T. Manovitz, S. Ebadi, M. Cain, M. Kalinowski, D. Hangleiter, J. P. Bonilla Ataides, N. Maskara, I. Cong, X. Gao, P. Sales Rodriguez, T. Karolyshyn, G. Semeghini, M. J. Gullans, M. Greiner, V. Vuletić, and M. D. Lukin, “Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays”, Nature 626, 58 (2024).
  43. J. A. Blackmore, L. Caldwell, P. D. Gregory, E. M. Bridge, R. Sawant, J. Aldegunde, J. Mur-Petit, D. Jaksch, J. M. Hutson, B. E. Sauer, M. R. Tarbutt, and S. L. Cornish, “Ultracold molecules for quantum simulation: rotational coherences in caf and rbcs”, Quantum Sci. Technol. 4, 014010 (2018).
  44. Y. Bao, S. S. Yu, L. Anderegg, E. Chae, W. Ketterle, K.-K. Ni, and J. M. Doyle, “Dipolar spin-exchange and entanglement between molecules in an optical tweezer array”, Science 382, 1138 (2023).
  45. C. M. Holland, Y. Lu, and L. W. Cheuk, “On-demand entanglement of molecules in a reconfigurable optical tweezer array”, Science 382, 1143 (2023).
  46. M. Hafezi, “Measuring topological invariants in photonic systems”, Phys. Rev. Lett. 112, 210405 (2014).
  47. A. F. Adiyatullin, L. K. Upreti, C. Lechevalier, C. Evain, F. Copie, P. Suret, S. Randoux, P. Delplace, and A. Amo, “Topological properties of floquet winding bands in a photonic lattice”, Phys. Rev. Lett. 130, 056901 (2023).
  48. R. J. Bettles, J. c. v. Minář, C. S. Adams, I. Lesanovsky, and B. Olmos, “Topological properties of a dense atomic lattice gas”, Phys. Rev. A 96, 041603 (2017).
  49. J. Perczel, J. Borregaard, D. E. Chang, H. Pichler, S. F. Yelin, P. Zoller, and M. D. Lukin, “Topological quantum optics in two-dimensional atomic arrays, Phys. Rev. Lett. 119, 023603 (2017).
  50. M. Cech, I. Lesanovsky, and B. Olmos, “Dispersionless subradiant photon storage in one-dimensional emitter chains”, Phys. Rev. A 108, L051702 (2023).
  51. M. B. de Paz and P. A. Huidobro, “Bound states in the continuum in subwavelength emitter arrays”, Phys. Rev. Res. 5, 033108 (2023).
  52. A. González-Tudela, A. Reiserer, J. J. García-Ripoll, and F. J. García-Vidal, “Light–matter interactions in quantum nanophotonic devices”, Nat. Rev. Phys. , 1 (2024).
  53. Y. Colombe, T. Steinmetz, G. Dubois, F. Linke, D. Hunger, and J. Reichel, “Strong atom–field coupling for Bose–Einstein condensates in an optical cavity on a chip”, Nature 450, 272 (2007).
  54. A. Kuhn and G. Rempe, “Optical cavity QED: Fundamentals and application as a single-photon light source”, in Experimental Quantum Computation and Information (IOS Press, 2002) pp. 37–66.
  55. E. Vetsch, D. Reitz, G. Sagué, R. Schmidt, S. T. Dawkins, and A. Rauschenbeutel, “Optical Interface Created by Laser-Cooled Atoms Trapped in the Evanescent Field Surrounding an Optical Nanofiber”, Phys. Rev. Lett. 104, 203603 (2010).
  56. K. P. Nayak, M. Sadgrove, R. Yalla, F. L. Kien, and K. Hakuta, “Nanofiber quantum photonics”, J. Opt. 20, 073001 (2018).
  57. A. Goban, C.-L. Hung, S.-P. Yu, J. D. Hood, J. A. Muniz, J. H. Lee, M. J. Martin, A. C. McClung, K. S. Choi, D. E. Chang, O. Painter, and H. J. Kimble, “Atom–light interactions in photonic crystals”, Nat. Commun. 5, 3808 (2014).
  58. M. Proctor, P. A. Huidobro, B. Bradlyn, M. B. de Paz, M. G. Vergniory, D. Bercioux, and A. García-Etxarri, “Robustness of topological corner modes in photonic crystals”, Phys. Rev. Res. 2, 042038 (2020).
  59. A. Bouscal, M. Kemiche, S. Mahapatra, N. Fayard, J. Berroir, T. Ray, J.-J. Greffet, F. Raineri, A. Levenson, K. Bencheikh, C. Sauvan, A. Urvoy, and J. Laurat, “Systematic design of a robust half-W1 photonic crystal waveguide for interfacing slow light and trapped cold atoms”, New J. Phys. 26, 023026 (2024).
  60. M. V. Berry, “Quantal phase factors accompanying adiabatic changes”, Proc. R. Soc. A: Math. Phys. Eng. Sci. 392, 45 (1984).
  61. E. Cohen, H. Larocque, F. Bouchard, F. Nejadsattari, Y. Gefen, and E. Karimi, “Geometric phase from Aharonov–Bohm to Pancharatnam–Berry and beyond”, Nat. Rev. Phys. 1, 437 (2019).
  62. R. D. King-Smith and D. Vanderbilt, “Theory of polarization of crystalline solids”, Phys. Rev. B 47, 1651 (1993).
  63. A. Hayward, C. Schweizer, M. Lohse, M. Aidelsburger, and F. Heidrich-Meisner, “Topological charge pumping in the interacting bosonic Rice-Mele model”, Phys. Rev. B 98, 245148 (2018).
  64. R. G. Unanyan and M. Fleischhauer, “Effect of bloch-band dispersion on the quantized transport in a topological thouless pump”, Opt. Mem. Neural Netw. 32, S467 (2023).
  65. D. Xiao, M.-C. Chang, and Q. Niu, “Berry phase effects on electronic properties”, Rev. Mod. Phys. 82, 1959 (2010).
  66. C. S. Adams, J. D. Pritchard, and J. P. Shaffer, “Rydberg atom quantum technologies”, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 53, 012002 (2019).
  67. A. Browaeys and T. Lahaye, “Many-body physics with individually controlled rydberg atoms”, Nat. Phys. 16, 132 (2020).
  68. S. Jennewein, L. Brossard, Y. R. P. Sortais, A. Browaeys, P. Cheinet, J. Robert, and P. Pillet, “Coherent scattering of near-resonant light by a dense, microscopic cloud of cold two-level atoms: Experiment versus theory”, Phys. Rev. A 97, 053816 (2018).
  69. A. Glicenstein, G. Ferioli, L. Brossard, Y. R. P. Sortais, D. Barredo, F. Nogrette, I. Ferrier-Barbut, and A. Browaeys, “Preparation of one-dimensional chains and dense cold atomic clouds with a high numerical aperture four-lens system”, Phys. Rev. A 103, 043301 (2021).
  70. A. Asenjo-Garcia, M. Moreno-Cardoner, A. Albrecht, H. J. Kimble, and D. E. Chang, “Exponential improvement in photon storage fidelities using subradiance and “selective radiance” in atomic arrays”, Phys. Rev. X 7, 031024 (2017).
  71. A. Goban, K. S. Choi, D. J. Alton, D. Ding, C. Lacroûte, M. Pototschnig, T. Thiele, N. P. Stern, and H. J. Kimble, “Demonstration of a State-Insensitive, Compensated Nanofiber Trap”, Phys. Rev. Lett. 109, 033603 (2012).
  72. T. Nieddu, V. Gokhroo, and S. N. Chormaic, “Optical nanofibres and neutral atoms”, J. Opt. 18, 053001 (2016).
  73. L. Scarpelli, B. Lang, F. Masia, D. M. Beggs, E. A. Muljarov, A. B. Young, R. Oulton, M. Kamp, S. Höfling, C. Schneider, and W. Langbein, “99% beta factor and directional coupling of quantum dots to fast light in photonic crystal waveguides determined by spectral imaging”, Phys. Rev. B 100, 035311 (2019).
  74. A. S. Sheremet, M. I. Petrov, I. V. Iorsh, A. V. Poshakinskiy, and A. N. Poddubny, “Waveguide quantum electrodynamics: Collective radiance and photon-photon correlations”, Rev. Mod. Phys. 95, 015002 (2023).
  75. D. Reitz and A. Rauschenbeutel, “Nanofiber-based double-helix dipole trap for cold neutral atoms”, Opt. Commun. 285, 4705 (2012).
  76. N. Šibalić, J. Pritchard, C. Adams, and K. Weatherill, “Arc: An open-source library for calculating properties of alkali rydberg atoms”, Comput. Phys. Commun. 220, 319 (2017).
  77. C. Hölzl, A. Götzelmann, E. Pultinevicius, M. Wirth, and F. Meinert, “Long-lived circular rydberg qubits of alkaline-earth atoms in optical tweezers” (2024), arXiv:2401.10625 [physics.atom-ph] .
  78. M. Lohse, C. Schweizer, H. M. Price, O. Zilberberg, and I. Bloch, “Exploring 4D quantum Hall physics with a 2D topological charge pump”, Nature 553, 55 (2018).
  79. L. Fu and C. L. Kane, “Time reversal polarization and a Z2subscript𝑍2{{Z}}_{2}italic_Z start_POSTSUBSCRIPT 2 end_POSTSUBSCRIPT adiabatic spin pump”, Phys. Rev. B 74, 195312 (2006).
Citations (1)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Sign Up to Summarize

Paper to Video (Beta)

No one has generated a video about this paper yet.

Sign Up to Generate All Videos Subscribe on YouTube

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 0 likes about this paper.

Sign Up for Free