التدرج صدى الذاكرة الكم في الحارة بخار الذرية
Summary
التدرج الذاكرة الصدى هو بروتوكول لتخزين الكم الدول البصرية الضوء في الفرق ذرية. الذاكرة الكم هو عنصر أساسي من مكرر الكم، والتي يمكن توسيع نطاق التوزيع الرئيسية الكم. ونحن الخطوط العريضة تشغيل نظام عند تطبيق في الفرقة ذرية على مستوى 3.
Abstract
التدرج الذاكرة صدى (GEM) هو بروتوكول لتخزين الكم الدول البصرية الضوء في الفرق ذرية. أن الدافع الرئيسي لمثل هذه التكنولوجيا هي أن توزيع الكم الرئيسية (QKD)، والذي يستخدم الارتياب لهايزنبرج لضمان أمن مفاتيح التشفير، محدودة في مسافة الإرسال. وضع مكرر الكم هو الطريق الممكن توسيع نطاق QKD، ولكن مكرر في حاجة الى ذاكرة الكم. في تجاربنا نحن نستخدم الغاز من الروبيديوم 87 بخار موجود في زنزانة الغاز الحار. هذا يجعل خطة بسيطة للغاية. وإنما هو أيضا نظام تنوعا للغاية التي تمكن صقل في الذاكرة الدولة تخزينها، مثل تحويل التردد والتلاعب عرض النطاق الترددي. أساس بروتوكول GEM هو امتصاص الضوء إلى مجموعة متكاملة من الذرات التي تم إعدادها في إطار التدرج المجال المغناطيسي. عكس هذا الانحدار يؤدي إلى إعادة جدولة من الاستقطاب الذرية، وبالتالي استدعاء للدولة البصرية المخزنة. Wه سيحدد كيف نستعد الذرات وهذا الانحدار وأيضا وصف بعض المزالق التي ينبغي تجنبها، وعلى وجه الخصوص أربعة موجة خلط، والتي يمكن أن تؤدي إلى تحقيق مكاسب البصرية.
Introduction
واحدة من التحديات العالقة التي تواجه تكنولوجيا المعلومات الكم هو القدرة على بناء ذاكرة للدول الكم. لالضوئية الكم الحوسبة 1 أو مكرر الكم المستخدمة في نظام التوزيع الرئيسية الكم 2، وهذا يعني بناء الذاكرة التي يمكن تخزين الدول الكم من الضوء 3. واحدة من النهج المتبعة لتحقيق هذا الهدف هو استخدام مجموعات من الذرات التي يمكن السيطرة عليها في مثل هذه الطريقة لتخزين ومن ثم إطلاق سراح controllably الضوء في وقت لاحق. وقد تم تطوير تقنيات عديدة بما في ذلك الشفافية (EIT) التي يسببها الكهرمغنطيسية 4، ومشط التردد الذري (AFC) 5، 6، 7، أربعة موجة خلط (FWM) 8، 9 رامان امتصاص والتفاعل فاراداي 10 و الفوتون تقنيات الصدى 11، 12 ، 13، 14، 13، 15، 16، 17، 18، 19.
محور هذه الورقة هو Λ – الذاكرة التدرج الصدى (GEM-Λ)، والذي يعمل باستخدام ثلاثةوسائل الإعلام الذرية منظم على مستوى "Λ". تم تنفيذ ذلك في البداية في زنزانة بخار الروبيديوم دافئة في عام 2008 20. وقد استخدم هذا النظام باعتباره ذاكرة الوصول العشوائي لنبضات الضوء (21 عاما) لديه أثبتت كفاءة عالية مثل 87٪ 22، ويوفر تخزين صامتة من الدول الكم 23 ويظهر بعض الوعد كمنصة للعمليات البصرية غير الخطية 24. ونحن أيضا نشرت مؤخرا ورقة أن يذهب إلى بعض التفاصيل حول التفاعل بين هذه الذاكرة مع بخار الذرية الحارة 25.
جوهر الأسلوب هو أن نعد مجموعة متكاملة من الذرات التي يتم توسيع inhomogeneously بحيث سوف تمتص الذرات نبضة الضوء. في تجربتنا نحن نستخدم امتصاص رامان، كما هو مبين في الشكل 1A. ضوء التحقيق الذي هو ليتم تخزينها، وسوف يتم تعيينها على التماسك بين دولتين الأرض من ذرات. يتم توفير وتوسيع طريق تطبيق gradien المجال المغناطيسير على طول اتجاه الانتشار البصرية، الأمر الذي أدى إلى التدرج المكاني في امتصاص ترددات رامان، كما هو مبين في الشكل 1B. وبالتالي تعيين مكونات تردد مختلفة من النبض المخزنة في مواقع مكانية مختلفة خطيا على طول الفرقة ذرية. وبعبارة أخرى، والوضع المكاني للموجة تدور الذرية التي يتم إنشاؤها بواسطة امتصاص نبض المدخلات يتناسب مع تحويل فورييه للوضع الزمنية للنبض الإدخال. ونحن سوف تحدد في وقت لاحق، وهذا هو التدرج التردد التي تمكن أيضا بعض من قدرات معالجة الطيفية للاهتمام من هذه الذاكرة. عن طريق عكس التدرج المجال، تطور تماسك الفرقة الذرية يمكن أن تكون عكس الوقت. وهذا يسمح لاسترجاع نبض الضوء.
Protocol
Representative Results
Discussion
وهناك شرط ضروري لكفاءة الذاكرة عالية هو OD عالية [30]. وOD من Λ-GEM يتناسب مع عامل رامان Ω_c 2 / Δ 2، حيث Ω_c هو التردد ربيع مجال اقتران وΔ هو detuning رامان من متحمس للدولة. عفوية معدل تناثر رامان هو أيضا متناسبة مع عامل رامان وهناك بالتالي المفاضلة بين تحقيق امتصاص عالية وخسائر انخفاض نثر. للعثور على الإعدادات المثلى للقوة، detuning والغاز مجال التحكم في درجة الحرارة نستخدم عملية تكرارية. ويمكن التخفيف من الخسائر نثر إلى حد ما عن طريق التحول قبالة شعاع السيطرة أثناء التخزين، بعد يمتص نبض بالكامل. يتأثر العمق البصري أيضا من قبل الدولة الداخلي للذرات. من الناحية المثالية نود أن يكون أكبر عدد من ذرات ممكن في مستوى فائق الدقة F = 1 لزيادة امتصاص التحقيق. شعاع السيطرة أيضا يلعب دورا هنا كما يعمل على ضخ ذرات من 2 إلى F =F = مستويات 1. هذه ليست فعالة جدا، وذلك بسبب detuning، ولكن شعاع السيطرة هي قوية ويمكن أن تترك لفترات طويلة من الزمن بين التخزين التجارب النبض. عرض خط رامان في تجربتنا حوالي 100 كيلو هرتز، والتي هي في معظمها نتيجة لتوسيع الطاقة الناجمة عن مجال السيطرة. وهذا يتوافق تقريبا إلى المعدل الذي يتم ضخه من ذرات F = 2 للدولة فائق الدقة F = 1. ولكن سيكون هناك ترك بعض السكان على MF = 2 (أو -2 اعتمادا على علامة الاستقطاب الدائري) من مستوى فائق الدقة F = 2 نظرا لعدم وجود التحولات البصرية المسموح بها.
فإن OD تعتمد أيضا بشدة على درجة حرارة الخلية، والذي يحدد عدد الذرات في الطور الغازي. ونحن نستخدم درجة حرارة حوالي 78 درجة مئوية، وتقاس في مركز الخلية. لاحظنا أن لدينا في الخلية، مما يزيد من درجة حرارة تتجاوز 85 درجة مئوية يمكن أن يؤدي في بعض امتصاص مجال التحكم وكذلك بعض امتصاص غير متماسكة من الإشارة البريد التحقيق. يتم تشغيل سخان من خلال تشغيل تجريبي لتجنب التشويش على المجال المغناطيسي داخل الخلية.
الاستقطابات كل من التحقيق ومراقبة الحقول أيضا أن تلعب دورا حاسما في كفاءة امتصاص الذاكرة. خط الانتقال من D1 87Rb اثنين فائق الدقة دول متحمس مع ما مجموعه 8 مستويات ثانوية زيمان. من حيث المبدأ، واختيار الاستقطابات دائرية متطابقة لكل من التحقيق وحقول التحكم يضمن أن تتفاعل فقط مع القوة المتعددة الجنسيات على مستوى الدولة متحمس = 2 (أو -2)، F '= 2. والاستقطابات الخطية أو بيضاوي الشكل من مجالات الليزر تؤدي إلى اقتران رامان عبر مستويات ثانوية أخرى زيمان من F '= 1، 2. وهذا يؤدي إلى توسيع وعدم التماثل في شكل خط رامان، ويرجع ذلك إلى الثوابت اقتران مختلفة والتحولات ميلان ستارك لمختلف التحولات. للأسف، التحقيق الاستقطاب والسيطرة الحقول التعميم مماثل أعدت قبل الذاكرة يمكن تجربة مختلفة الاستقطاب ص الذاتيotations كما نشر من خلال الذاكرة. هو أكثر وضوحا هذا التأثير في وسائل الإعلام OD العالية، والتي لدينا في تجربتنا. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى صقل التحقيق والرقابة شعاع الاستقطاب لمواجهة تأثير دوران الذاتي.
لمزيد من تعقيد الأمور، ويمكن في بعض الأحيان أن ينظر إلى عملية المنحطة أربعة موجة خلط (FWM) عند العمل مع OD كبيرة 25. يمكن أن يسبب هذا التضخيم وبالتالي إدخال الضوضاء للدولة الناتج من الذاكرة. على وجه الخصوص، عندما يستخدم الاستقطاب الخطي لكل من السيطرة والحزم التحقيق، وتأثير FWM يمكن تتعزز بشكل كبير بسبب الإثارة رامان من خلال الدول متحمس متعددة. وتتلخص الشروط التي بموجبها عملية FWM إما تعزيز أو قمعت في نظامنا في الرقم 25. ويمكن التخفيف من أثر FWM من قبل، مرة أخرى، صقل الاستقطاب لجنة التحقيق ومراقبة الحزم. بهذه الطريقة، والعمليات FWM يمكن خفضها الى النقطة التي يقومون بهالا تضيف إلى الضوضاء وأشار ضوء 23. فيما يتعلق FWM، فمن الجدير بالذكر أن كلا من تجاويف تلعب دورا هاما في قمع غيغاهرتز الجانبي -6.8 التي تم إنشاؤها بواسطة الألياف بعثة مراقبة الانتخابات التي من شأنها أن البذور وإلا فإن عملية FWM.
كلا التناوب الذاتي وFWM تؤثر على شكل خط رامان توسيع نطاقه. بعد صقل، ويمكن للمرء أن تحقيق متماثل تماما، مستطيلة الشكل تقريبا ميزة امتصاص كما هو مبين في الشكل 5. هذا يتناقض مع الحالة هو مبين في الشكل 7 حيث تم اختيار الاستقطابات للتدليل على أثر FWM. هنا ميزة رامان هو غير المتماثلة للغاية.
كما ذكرنا سابقا، تم استخدام خلية الروبيديوم وفرة الطبيعية لتحديد شعاع السيطرة وتمرير شعاع التحقيق إلى قسم الكشف. ويرجع ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة هذه الخلية، لاحظنا أن تيارات الهواء حول النوافذ الخلية يسبب الاختلاف في الرؤية هامش الكشف مغايرة، وإعادةsulting في تقلبات للإشارة. تم التقليل من هذا التأثير من خلال تنفيذ الكشف مغايرة مباشرة بعد تصفية الخلية والحد من تيارات الهواء حول النوافذ الخلية باستخدام تصميم الفرن المناسبة. لاحظنا خسارة التحقيق في حوالي 30٪ من خلال تصفية الخلية، وذلك بسبب انعكاسات فريسنل من النوافذ وامتصاص ذرات الروبيديوم بنسبة 87 في الخلية التصفية. يحتمل أن يتم تخفيض هذه الخسارة عن طريق استخدام الطلاء المضادة للانعكاس على النوافذ خلية وباستخدام 85 الروبيديوم النقي بدلا من خليط الطبيعية من الروبيديوم.
في زنزانة بخار الحار ونشرها هي واحدة من القيود الرئيسية على فترة التخزين. بعد امتصاص الضوء، يمكن أن تنتشر ذرات من المنطقة متماسكة، وبالتالي محو المعلومات المخزنة جزئيا. إضافة الغاز العازلة (0.5 عربة الخمير الحمر، في تجربتنا) يقلل من تأثير الانتشار إلى حد ما. الكثير من الغاز العازلة، ومع ذلك، فإن زيادة توسيع الاصطدامية 31. هذا يزيد ديسمبرoherence والسيطرة امتصاص الميدان، مما يقلل من كفاءة ضخ المذكورة أعلاه. طريقة أخرى للحد من تأثير الانتشار العرضي هو لزيادة حجم التفاعل من خلال توسيع محات عرضية من مجالات التحقيق والرقابة. في نهاية المطاف سوف تكون محدودة هذا النهج اصطدام غير مرن مع جدران الخلايا. في هذه الحالة، قد تكون مغلفة جدران الخلايا مع المواد antirelaxation 32، 33، لتوفير التصادمات المرنة على الجدران وبالتالي تعزيز التماسك الساعة الذرية. عن طريق التقليل من جدار الاصطدام غير مرن باستخدام الطلاء الجدار السليم وزيادة حجم شعاع الليزر لتغطية ما يقرب من المقطع العرضي الخلية، يتوقع المرء أن آثار الحد الأدنى من نشر عرضية على فترة التخزين. قد تصبح بعد ذلك نشر طولية تأثير فك الترابط المهيمن في أوقات التخزين الطويل. نشر طولية يسبب ذرات لتجربة مختلفة شدة المجال المغناطيسي خلال فترة التخزين التي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض rephasing الكفاءة. أن طريقة واحدة للسيطرة على الانتشار الطولي يكون لاستخدام الفرقة ذرية باردة، مثل الذرات التي تم تبريدها في فخ مغناطيسي البصرية (MOT). ذلك، ومع ذلك، يتطلب طبقة جديدة كاملة من التعقيد التجريبية تشارك في السيطرة على سحابة ذرية الباردة. هذا هو نظام فإننا ندرس حاليا في مختبرنا 36.
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ويدعم هذا البحث من قبل مركز مجلس الأبحاث الأسترالي التميز لالكم الحاسوب وتكنولوجيا الاتصالات، رقم المشروع CE110001027.
Materials
| Titanium-sapphire laser | M Squared Lasers | SolsTiS | |
| Digital oscilloscope | Lecroy | WaveRunner 44Xi-A | |
| Memory cell | Triad Technology | 20 cm long, 87Rb enhanced, 0.5 Torr Kr buffer gas, AR-coated | |
| Filter cell | Triad Technology | 7.5 cm long, natural mixture Rb, no buffer gas | |
| Fiber EOM | EOSPACE | PM-0K5-10-PFA-UL | |
| AOM | AA Opto-Electronic | MT80-A1-IR | |
| AOM drive components | Minicircuits | Amplifier ZHL-1-2W | |
| Minicircuits | Mixer ZAD-6 | ||
| Agilent | 80 MHz signal source 33250A | ||
| Cavities | Custom made triangular ring cavity. FSR = 600 MHz, Finesse = 100. Flat mirrors (for input and output) IBS coating by Advanced Thin Films. Back mirror is 1 m ROC Newport Supermirror (R>99.97%) |
||
| Photodiodes | Hamamatsu | S3883 | |
| Current Switches | Electronic Design and Research | EDR83915/2 and EDR8276612 |
Referencias
- Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
- Sangouard, N., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. of Mod. Phys. 83, 33-80 (2011).
- Lvovsky, A. I., Sanders, B. C., Tittel, W. Optical quantum memory. Nat. Pho. 3, 76 (2009).
- Fleischhauer, M., Lukin, M. D. Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency. Phys. Rev. Let. 84, 5094 (2000).
- Afzelius, M., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Multi-Mode Quantum Memory based on Atomic Frequency Combs. Phys. Rev. A. 79, 052329 (2009).
- Clausen, C., et al. Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature. 469, 508 (2011).
- Saglamyurek, E., et al. Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature. 469, 512 (2011).
- Boyer, V., McCormick, C. F., Arimondo, E., Lett, P. D. Ultraslow Propagation of Matched Pulses by Four-Wave Mixing in an Atomic Vapor. Phys. Rev. Let. 99, 143601 (2007).
- Reim, K. F., Michelberger, P., Lee, K. C., Nunn, J., Langford, N. K., Walmsley, I. A. Single-Photon- Level Quantum Memory at Room Temperature. Phys. Rev. Let. 107, 053603-053604 (2011).
- Jensen, K., et al. Quantum memory for entangled continuous-variable states. Nature Physics. 7, 13 (2010).
- Moiseev, S., Kröll, S. Complete reconstruction of the quantum state of a single-photon wave packet absorbed by a Doppler-broadened transition. Phys. Rev. Let. 87, 173601 (2001).
- Moiseev, S. A., Tarasov, V. F., Ham, B. S. Quantum memory photon echo-like techniques in solids. Jour. Opt. B-Quan. Semiclass. Opt. 5, S497 (2003).
- Nilsson, M., Kröll, S. Solid state quantum memory using complete absorption and re-emission of photons by tailored and externally controlled inhomogeneous absorption profiles. Opt. Comm. 247, 393-403 (2005).
- Kraus, B., Tittel, W., Gisin, N., Nilsson, M., Kröll, S., Cirac, J. I. Quantum memory for nonstationary light fields based on controlled reversible inhomogeneous broadening. Phys. Rev. A. 73, 020302(R) (2006).
- Alexander, A., Longdell, J. J., Sellars, M., Manson, N. Photon echoes produced by switching electric fields. Phys. Rev. Let. 96, 043602 (2006).
- Sangouard, N., Simon, C., Afzelius, M., Gisin, N. Analysis of a quantum memory for photons based on controlled reversible inhomogeneous broadening. Phys. Rev. A. 75, 032327 (2007).
- Damon, V., Bonarota, M., Louchet-Chauvet, A., Chaneliere, T., Le Gouët, J. -. L. Revival of silenced echo and quantum memory for light. New Jour. of Phys. 13, 093031 (2011).
- Hétet, G., Longdell, J. J., Alexander, A. L., Lam, P. K., Sellars, M. J. Electro-Optic Quantum Memory for Light Using Two-Level Atoms. Phys. Rev. Let. 100, 023601 (2008).
- Hedges, M. P., Longdell, J. J., Li, Y., Sellars, M. J. Efficient quantum memory for light. Nature. 465, 1052-1056 (2010).
- Hétet, G., Hosseini, M., Sparkes, B. M., Oblak, D., Lam, P. K., Buchler, B. C. Photon echoes generated by reversing magnetic field gradients in a rubidium vapor. Opt. Let. 33, 2323 (2008).
- Hosseini, M., Sparkes, B. M., Hétet, G., Longdell, J. J., Lam, P. K., Buchler, B. C. Coherent optical pulse sequencer for quantum applications. Nature. 461, 241-245 (2009).
- Hosseini, M., Sparkes, B. M., Campbell, G., Lam, P. K., Buchler, B. C. High efficiency coherent optical memory with warm rubidium vapour. Nat. Comm. 2, 174 (2011).
- Hosseini, M., Campbell, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K., Buchler, B. C. Unconditional room-temperature quantum memory. Nat. Phys. 7, 794-798 (2011).
- Hosseini, M., Rebic, S., Sparkes, B. M., Twamley, J., Buchler, B. C., Lam, P. K. Memory-enhanced noiseless cross-phase modulation. Light: Sci. Apps. 1, e40 (2012).
- Hosseini, M., Sparkes, B. M., Campbell, G., Lam, P. K., Buchler, B. C. Storage and manipulation of light using a Raman gradient-echo process. Jour. of Phys. B-Atomic. 45, 124004 (2012).
- Barwood, G. P., Gill, P., Rowley, W. R. C. Frequency measurements on optically narrowed Rb-stabilised laser diodes at 780 nm and 795 nm. Appl. Phys. B. 53, 142-147 (1991).
- Drever, R. W. P., et al. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator. Appl. Phys. B-Photophys. and Laser Chem. 31, 97-105 (1983).
- Sparkes, B. M., Chrzanowski, H. M., Parrain, D. P., Buchler, B. C., Lam, P. K., Symul, T. A scalable, self-analyzing digital locking system for use on quantum optics experiments. Rev. of Sci. Instr. 82, 075113 (2011).
- Sparkes, B. M., et al. Precision Spectral Manipulation: A Demonstration Using a Coherent Optical Memory. Phys. Rev. X. 2, 021011 (2012).
- Gorshkov, A. V., Andre, A., Fleischhauer, M., Sorensen, A. S., Lukin, M. Universal approach to optimal photon storage in atomic media. Phys. Rev. Let. 98, 123601 (2007).
- Erhard, M., Helm, H. Buffer-gas effects on dark resonances: Theory and experiment. Phys. Rev. A. 63, 043813 (2001).
- Balabas, M. V., et al. High quality anti-relaxation coating material for alkali atom vapor cells. Opt. Expr. 18, 5825-5830 (2010).
- Balabas, M. V., Karaulanov, T., Ledbetter, M. P., Budker, D. Polarized alkali-metal vapor with minutelong transverse spin-relaxation time. Phys. Rev. Let. 105, 070801 (2010).
- Buchler, B. C., Hosseini, M., Hétet, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K. Precision spectral manipulation of optical pulses using a coherent photon echo memory. Opt. Let. 35, 1091-1093 (2010).
- Higginbottom, D. B. . Spatial Multimode Storage in a Gradient Echo Memory [dissertation]. , (2012).
- Sparkes, B. M., et al. Gradient echo memory in an ultra-high optical depth cold atomic ensemble. arXiv. , (2012).
