Das Gradientenecho-Speicher ist ein Protokoll zum Speichern von optischen Quantenzustände des Lichtes in atomaren Ensembles. Quantum-Speicher ist ein Schlüsselelement eines Quanten Repeater, die den Bereich der Quantenschlüsselverteilung verlängern kann. Wir skizzieren die Durchführung der Regelung, wenn in einem 3-Level-Atom-Ensemble realisiert.
Gradienten-Echo-Speicher (GEM) ist ein Protokoll für die Speicherung von optischen Quantenzustände von Licht in atomaren Ensembles. Die primäre Motivation für eine solche Technologie ist, dass die Quantenschlüsselverteilung (QKD), die Heisenbergsche Unschärferelation verwendet, um die Sicherheit von kryptographischen Schlüsseln zu gewährleisten, wird in der Übertragungsstrecke begrenzt. Die Entwicklung eines Quanten Repeater ist ein möglicher Weg, um QKD Bereich zu erweitern, aber ein Repeater einen Quantenspeicher benötigen. In unseren Experimenten verwenden wir ein Gas aus Rubidium-87 Dampf, der in einem warmen Gaszelle enthalten ist. Dies macht das System besonders einfach. Es ist auch ein sehr vielseitiges System, das im Speicher Ausgestaltung der gespeicherten Zustand, wie Frequenzverschiebung und Bandbreite Manipulation ermöglicht. Die Basis des GEM-Protokoll ist, das Licht in eine Vielzahl von Atomen, die in einem Magnetfeld-Gradienten hergestellt wurde absorbieren. Die Umkehrung dieses Gradienten führt zu rephasierenden der atomaren Polarisation und damit Rückruf der gespeicherten optischen Zustand. We erläutern, wie bereiten wir die Atome und diese Steigung und auch beschreiben, einige der Gefahren, die vermieden werden, insbesondere Vierwellenmischung, die Anlass zu optischen Verstärkung geben müssen.
Eine der herausragenden Herausforderungen der Quanteninformationstechnologie ist die Fähigkeit, einen Speicher für Quantenzustände zu bauen. Für photonische Quantencomputer 1 oder ein Quanten Repeater in einem Quantenschlüsselverteilung System 2 verwendet wird, bedeutet dies den Aufbau einer Erinnerung, die Quantenzustände von Licht 3 speichern. Ein Ansatz zur Erreichung dieses Ziels getroffen ist, Kombinationen von Atomen, die in einer solchen Weise zu speichern und zu verwenden, gesteuert werden kann dann kontrolliert frei Licht zu einem späteren Zeitpunkt. Zahlreiche Techniken wurden entwickelt, einschließlich elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) 4, das Atomfrequenzkamm (AFC) 5, 6, 7, Vierwellenmischung (FWM) 8, Raman Absorptions 9, 10 und Faraday Wechselwirkung Photonechotechniken 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist Λ – Gradient Echo-Speicher (Λ-GEM), die mit drei Werke-Ebene "Λ" strukturierten Atom Medien. Es wurde zunächst in einem warmen Rb Dampfzelle im Jahr 2008 20 implementiert. Diese Regelung wurde als Direktzugriffsspeicher zum Lichtimpulse, 21 verwendet wurde, hat eine nachgewiesene Effizienz so hoch wie 87% 22, bietet geräuschlose Speicherung von Quantenzuständen 23 und zeigt einige Versprechen als Plattform für nichtlineare optische Operationen 24. Wir haben auch vor kurzem ein Papier, das in einigen Details über das Zusammenspiel dieser Speicher mit warmem Atomdampf geht 25 veröffentlicht.
Das Wesen der Technik ist, dass vorbereitet eine Vielzahl von Atomen, die inhomogen verbreitert ist, so daß die Atome einen Lichtimpuls zu absorbieren. In unserem Experiment nutzen wir Raman-Absorption, wie in 1a gezeigt. Das Messlicht, das gespeichert werden soll, wird auf die Kohärenz zwischen zwei Grundzustände der Atome zugeordnet werden. Die Erweiterung wird durch Anlegen eines magnetischen Feldes vorgesehen gradient entlang der Richtung der Lichtausbreitung, Induzieren eines räumlichen Gradienten in der Raman Absorptionsfrequenzen, wie in Fig. 1b gezeigt. Die verschiedenen Frequenzkomponenten des gespeicherten Impulses werden so auf unterschiedlichen räumlichen Positionen linear entlang der Länge der Atom Ensemble abgebildet. In anderen Worten ist das räumliche Profil der atomaren Spinwelle, die durch die Absorption des Eingangsimpulses erzeugt wird, proportional zu der Fourier-Transformation des zeitlichen Verlaufs des Eingangsimpulses. Wie wir später darlegen, ist es diese Frequenz Gradienten ermöglicht, dass auch einige der interessantspektralen Verarbeitungsmöglichkeiten dieses Speichers. Durch Umkehren der Feldgradient kann die Entwicklung der Kohärenz des Atom Ensemble zeitumgekehrt werden. Dies ermöglicht die Wiedergewinnung des Lichtimpulses.
Eine notwendige Bedingung für hohe Speichereffizienz ist eine hohe OD [30]. Die OD des Λ-GEM ist proportional zu der Raman-Faktor Ω_c 2 / Δ 2, wobei Ω_c ist das Kopplungsfeld Rabi-Frequenz und Δ ist die Raman Verstimmung aus dem angeregten Zustand. Die spontane Raman-Streurate ebenfalls proportional zu der Raman-Faktor, und es ist daher ein Kompromiss zwischen dem Erreichen hoher Absorption und geringen Streuungsverlusten. Um die optimalen Einstellungen für die Steuerung der Feldstromversorgung, Verstimmung und Gastemperatur verwenden wir einen iterativen Prozess zu finden. Die Streuverluste können in einem gewissen Ausmaß durch Ausschalten des Steuerstrahls während der Lagerung vermindert werden, nachdem der Impuls vollständig absorbiert wird. Optische Tiefe wird durch den internen Zustand der Atome berührt. Idealerweise würden wir gerne so viele Atome wie möglich in der F = 1 Hyperfeinniveau haben, um die Absorption der Sonde zu erhöhen. Der Steuerstrahl spielt auch eine Rolle, wie sie Atome von F = 2 der Pumpe wirktF = 1-Werte. Dies ist nicht sehr effizient, aufgrund der Verstimmung, aber der Steuerstrahl ist stark und kann über lange Zeiträume zwischen den Impulsspeicher Experimente gelassen werden. Die Breite des Raman-Linie in unserem Experiment etwa 100 kHz, was hauptsächlich eine Folge der Strom Verbreiterung des Steuerfeldes verursacht. Dies entspricht fast der Rate, mit der Atome von F = 2 F = 1 Hyperfeinzustand gepumpt. Allerdings wird es einige Population links auf mf = 2 (oder -2 je nach dem Vorzeichen der Zirkularpolarisation) der Hyperfeinniveau F = 2 aufgrund der fehlenden optischen Übergänge erlaubt.
Die OD wird auch stark von der Temperatur der Zelle, der die Anzahl der Atome in der Gasphase bestimmt. Wir verwenden eine Temperatur von etwa 78 ° C, gemessen in der Mitte der Zelle. Uns ist aufgefallen, dass in unserer Zelle, die Erhöhung der Temperatur über 85 ° C können in einigen Absorption des Kontrollfeld sowie einige inkohärente Absorption von th führene-Probe-Signal. Der Heizer wird während des Versuchslauf umgeschaltet, um zu vermeiden, das magnetische Feld in der Zelle zu stören.
Polarisationen der beiden Fühler und Steuerfelder spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Absorption Effizienz des Speichers. Die D1 Übergangslinie von 87Rb hat zwei Hyperfein angeregten Zustände mit insgesamt 8 Zeeman-Unterniveaus. Prinzipiell ist die Wahl der zirkularen Polarisationen identisch sowohl für die Sonde und die Steuerfelder stellt sicher, dass sie nur mit dem angeregten Zustand Ebene mf = 2 (oder -2), F '= 2 interagieren. Die linearen oder elliptischen Polarisation des Laserfeldern verursachen Raman Kopplung über andere Zeeman-Unterniveaus F '= 1, 2. Dies wird in Verbreiterung und Asymmetrie in der Raman-Linienform führen, aufgrund der unterschiedlichen Kopplungskonstanten und AC-Stark-Verschiebungen der verschiedenen Übergänge. Leider kann identisch zirkular polarisierten Sonde und Steuerfelder, bevor der Speicher vorbereitet unterschiedlichen Polarisationsselbst r erlebenotations wie sie durch den Speicher fortpflanzen. Dieser Effekt wird mehr in der hohen OD Medien, die wir in unserem Experiment haben ausgeprägt. Dies bedeutet, daß die Feinabstimmung der Sonde und Steuerstrahlpolarisation ist notwendig, um die Auswirkungen der Selbstdrehung entgegenzuwirken.
Um die Sache noch komplizierter, kann ein Prozess entarteten Vierwellenmischung (FWM), manchmal beim Arbeiten mit großen OD 25 gesehen werden. Dies kann dazu führen, Amplifikation und somit Rauschen zu dem Ausgangszustand der Speicher einzuführen. Insbesondere dann, wenn eine lineare Polarisation ist sowohl die Steuer-und Sondenstrahlen verwendet, die FWM-Effekt kann stark durch die Raman-Anregung durch mehrere angeregte Zustände verbessert werden. Die Bedingungen, unter denen die FWM-Prozess wird verstärkt oder in unserem System unterdrückt werden in Ref. 25 zusammengefasst. Die Auswirkungen der FWM kann gemildert werden, indem wieder die Feinabstimmung der Polarisation der Sonde und Steuerbalken. Auf diese Weise kann FWM Prozesse zu dem Punkt, dass sie reduziert werden,nicht an den Lärm erinnerte Licht 23 hinzufügen. In Bezug auf die FWM, ist es erwähnenswert, dass die beiden Hohlräume spielen eine wichtige Rolle bei der Unterdrückung der -6,8 GHz Seitenband durch die Fiber-Wahlbeobachtungsmission erzeugt, die ansonsten die FWM-Prozess Saatgut würde.
Sowohl Eigenrotation und FWM beeinflussen die Form der Raman-Linie erweitert. Nach der Feinabstimmung, kann man eine ziemlich symmetrische, etwa rechteckig geformte Absorptionsmerkmal zu erreichen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Dies steht im Gegensatz zu der in Fig. 7, wo Polarisationen wurden gewählt, um die Auswirkungen der FWM zeigen gezeigten Fall. Hier ist die Raman-Funktion ist stark asymmetrisch.
Wie bereits erwähnt, wurde eine natürliche Fülle Rb-Zelle verwendet, um die Steuerstrahl auswählen und übergeben die Sondenstrahl auf die Erfassungsabschnitt. Aufgrund der hohen Temperatur dieser Zelle, bemerkten wir, dass die Luftströme um die Zellenfenster führen Variation des Streifensichtbarkeits des Heterodyn-Detektion wiederBeratungs Schwankungen des Signals. Dieser Effekt wurde durch die Umsetzung der Heterodyndetektion unmittelbar nach der Filterzelle und die Reduzierung der Luftströme um die Zellenfenster mit geeigneten Ofen-Design minimiert. Wir beobachteten eine Sonde Verlust von ca. 30% durch die Filterzelle durch Fresnel-Reflexionen von den Fenstern und der Absorption von 87 Rb-Atomen in der Filterzelle. Dieser Verlust kann durch die Verwendung potenziell Antireflexschichten auf den Zellenfenstern und mit reinem 85 Rb statt eine natürliche Mischung aus Rb reduziert werden.
In einem warmen Gaszelle ist die Diffusion einer der wichtigsten Einschränkungen für die Lagerzeit. Nach der Absorption von Licht können Atome aus der kohärenten Region diffundieren, so teilweise das Löschen der gespeicherten Informationen. Zugabe eines Puffergases (0,5 Torr Kr, in unserem Experiment) reduziert den Effekt der Diffusion in einem gewissen Ausmaß. Zu viel Puffergas wird jedoch Kollisions erhöhen Erweiterung 31. Dies erhöht DezemberOHÄRENZ und Steuerfelddämpfung, die die Effizienz des oben erwähnten Pump reduziert. Ein anderer Weg, um die Wirkung der Querdiffusion zu reduzieren, ist das Wechselwirkungsvolumen durch die Vergrößerung der Querprofile der Sonde und Steuerfelder zu erhöhen. Dieser Ansatz wird schließlich durch inelastische Kollisionen mit den Zellwänden begrenzt werden. In diesem Fall kann die Zellwände mit antirelaxation Materialien 32, 33 beschichtet werden, um eine elastische Kollisionen an den Wänden bereitzustellen und somit zur Verbesserung der Atomkohärenzzeit. Durch Minimierung der unelastischen Wand Kollision mit richtigen Wandbeschichtungen und die Erhöhung der Laserstrahlgröße nahezu abdecken Zellquerschnitt würde eine minimale Effekte von der Querdiffusion von der Lagerzeit zu erwarten. Längsdiffusions könnte dann der dominierende Effekt Dekohärenz bei langen Lagerzeiten. Längsdiffusion bewirkt, dass die Atome auf verschiedene Magnetfeldstärken während der Lagerung Zeit, die in reduzierter Reph führen kann, erlebenAsing Effizienz. Ein Weg, um die Diffusion zu steuern Längs wäre, eine Kaltatom Ensemble, wie Atome, die in einer magneto-optischen Falle (MOT) abgekühlt worden sind. Das aber erfordert eine ganz neue Schicht von experimentellen Komplexität bei der Steuerung kalten Atomwolke beteiligt. Dies ist ein System, das wir prüfen derzeit in unserem Labor 36.
The authors have nothing to disclose.
Die Forschung wird vom Centre of Excellence Australian Research Council for Quantum Computation-und Kommunikationstechnologie, Projektnummer CE110001027 unterstützt.
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%) |
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Photodiodes | Hamamatsu | S3883 | |
Current Switches | Electronic Design and Research | EDR83915/2 and EDR8276612 |