A memória eco gradiente é um protocolo para armazenar estados quânticos ópticas de luz em ensembles atômicos. Memória quântica é um elemento-chave de um repetidor quântico, o que pode ampliar o leque de distribuição quântica de chaves. Nós delinear o funcionamento do esquema quando implementado em um conjunto atômico de 3 níveis.
Gradiente de memória echo (GEM) é um protocolo para o armazenamento de estados quânticos ópticas de luz em ensembles atômicos. A principal motivação para esse tipo de tecnologia é que a distribuição quântica de chaves (QKD), que usa da incerteza de Heisenberg para garantir a segurança de chaves criptográficas, é limitado na distância de transmissão. O desenvolvimento de um repetidor quântico é um caminho possível para aumentar o alcance QKD, mas um repetidor vai precisar de uma memória quântica. Em nossos experimentos, usamos um gás de rubídio 87 vapor que está contido em uma célula de gás quente. Isso torna o sistema particularmente simples. É também um regime altamente versátil, que permite refinamento na memória de estado armazenado, tais como o deslocamento de frequência de largura de banda e de manipulação. A base do protocolo de GEM é de absorver a luz para um conjunto de átomos que foram preparadas de um gradiente de campo magnético. A reversão deste gradiente leva a rephasing da polarização atômica e, assim, recordação do estado óptico armazenado. We irá descrever como nos preparamos os átomos e este gradiente e também descrever algumas das armadilhas que devem ser evitadas, em particular de mistura de quatro ondas, o que pode dar origem a ganho óptico.
Um dos desafios enfrentados pendentes tecnologia da informação quântica é a capacidade de construir uma memória para estados quânticos. Para fotônico quântico de computação 1, ou um repetidor quântico usado em um sistema de distribuição quântica de chaves 2, isso significa a construção de uma memória que pode armazenar estados quânticos da luz 3. Uma das abordagens para este objectivo é a utilização de conjuntos de átomos que podem ser controlados de tal forma que para guardar e, em seguida, libertar controladamente luz em algum tempo mais tarde. Várias técnicas foram desenvolvidas, incluindo a transparência eletromagneticamente induzida (EIT) 4, a freqüência pente atômica (AFC) 5, 6, 7, a mistura de quatro ondas (FWM) 8, 9 absorção Raman, a interação Faraday 10 e fótons técnicas de eco 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
O foco deste trabalho é Λ – Gradiente eco Memória (Λ-GEM), que trabalha com trêsMídia atômicas estruturadas em nível de "Λ". Ele foi inicialmente implementado em uma célula de vapor de Rb quente em 2008 20. Este esquema tem sido usado como uma memória de acesso aleatório para pulsos de luz, 21 anos, tem uma eficiência demonstrada tão alta quanto 87% 22, fornece armazenamento silencioso de estados quânticos 23 e mostra alguma promessa como uma plataforma para operações ópticos não-lineares 24. Temos também publicou recentemente um artigo que vai para algum detalhe sobre a interação deste com a memória quente vapor atômico 25.
A essência da técnica é que se preparar um conjunto de átomos que é homogénea alargado, de modo que os átomos irá absorver um pulso de luz. Na nossa experiência utilizamos absorção de Raman, como mostrado na figura 1a. A luz da sonda, que é para ser armazenada, vão ser mapeados a coerência entre dois estados fundamentais dos átomos. A ampliação é fornecida através da aplicação de um campo magnético gradient ao longo da direcção de propagação óptica, induzindo um gradiente espacial nas frequências de absorção de Raman, como mostrado na Figura 1b. Os diferentes componentes de frequência do pulso armazenados são assim mapeada para diferentes localizações espaciais linearmente ao longo do comprimento do conjunto atómica. Em outras palavras, o perfil espacial da onda de spin atómica que é gerado pela absorção do impulso de entrada é proporcional à transformada de Fourier do perfil temporal do impulso de entrada. Como vamos delinear mais tarde, é o gradiente de freqüência que também permite que algumas das capacidades de processamento espectrais interessantes desta memória. Ao inverter o gradiente de campo, a evolução da coerência do conjunto atômico pode ser revertida a tempo. Isso permite a recuperação do pulso de luz.
Uma condição necessária para uma elevada eficiência de memória é um alto OD [30]. O diâmetro externo da Λ-GEM é proporcional ao factor de Raman Ω_c 2 / Δ 2, onde Ω_c é a frequência de Rabi campo de acoplamento e Δ é a dessintonização Raman do estado animado. A taxa de espalhamento Raman espontâneo também é proporcional ao fator de Raman e não há, portanto, um trade-off entre a obtenção de alta absorção e de espalhamento de baixas perdas. Para encontrar os melhores ajustes para o campo de controle de energia, desafinação e gás temperatura usamos um processo iterativo. As perdas de dispersão pode ser atenuado, em certa medida, desligando o controle do feixe, durante o armazenamento, depois do impulso é totalmente absorvido. Profundidade óptica também é afetada pelo estado interno dos átomos. Idealmente, gostaríamos de ter tantos átomos quanto possível no nível hiperfino F = 1 para aumentar a absorção da sonda. O feixe de controle também desempenha aqui um papel, uma vez que actua para bombear átomos de F = 2 aF = 1 níveis. Isto não é muito eficiente, em virtude da dessintonização, mas o feixe de controle é poderosa e pode ser deixado por longos períodos de tempo entre as experiências de armazenamento de pulso. A largura da linha Raman em nosso experimento é em torno de 100 kHz, que é principalmente um resultado da ampliação de energia causada pelo campo de controle. Isto quase que corresponde à taxa à qual os átomos são bombeados da F = 2 para o estado hiperfina F = 1. No entanto, haverá uma população deixada em mf = 2 (ou -2, dependendo do sinal da polarização circular) de nível hiperfina F = 2, devido à falta de transições ópticas desejados.
O OD também irá depender fortemente da temperatura da célula, o que determina o número de átomos na fase gasosa. Usamos uma temperatura de cerca de 78 ° C, medida no centro da célula. Percebemos que em nosso celular, o aumento da temperatura além de 85 ° C pode resultar em alguma absorção do campo de controle, bem como algumas absorção incoerente of thsinal e sonda. O aquecedor é desligado durante a execução experimental para evitar perturbar o campo magnético no interior da célula.
Polarizações das duas áreas de sonda e de controlo também desempenham um papel crucial na eficiência de absorção da memória. A linha de transição D1 de 87Rb tem dois estados excitados hiperfinos com um total de 8 subníveis Zeeman. Em princípio, a escolha de polarizações circulares idênticos tanto para a sonda e os campos de controlo garante que apenas interagem com o nível de estado animado mf = 2 (ou -2), F '= 2. As polarizações lineares ou elípticas dos campos de laser dar origem a Raman acoplamento através de outros sub-níveis Zeeman de F '= 1, 2. Isto irá resultar na ampliação e assimetria na forma de linha de Raman, devido às diferentes constantes de acoplamento e ac Stark deslocamentos das várias transições. Infelizmente, sonda e controle polarizada campos circulares identicamente preparados antes que a memória pode experimentar diferentes polarização auto-rotations como eles se propagam através da memória. Este efeito é mais pronunciado na mídia OD altos, o que temos em nosso experimento. Isso significa que o ajuste fino da sonda e controle do feixe de polarização é necessária para neutralizar o impacto da auto-rotação.
Para complicar ainda mais, um processo degenerado de mistura de quatro ondas (FWM) às vezes pode ser visto quando se trabalha com grande OD 25. Isto pode fazer com que a amplificação e, consequentemente, introduzir ruído para o estado da memória de saída. Em particular, quando a polarização linear é usado tanto para o controle e vigas de sonda, o efeito FWM pode ser muito maior, devido à excitação Raman através de vários estados excitados. As condições sob as quais o processo é FWM ou aprimoradas ou suprimidos no nosso sistema estão resumidos na Ref. 25. O impacto da FWM pode ser mitigado por, mais uma vez, o ajuste fino da polarização dos feixes sonda e controle. Desta forma, os processos de FWM pode ser reduzida ao ponto em que eles fazemNão adicionar ruído à lembrou luz 23. No que diz respeito ao FWM, vale a pena notar que as duas cavidades desempenham um papel importante para a supressão da GHz lateral -6,8 gerado pela fibra-MOE que seria de outra forma o processo de semente FWM.
Tanto a auto-rotação e FWM afectar a forma da linha de Raman alargado. Após ajuste fino, pode-se conseguir uma característica de absorção bastante simétrico, aproximadamente de forma rectangular, como mostrado na Figura 5. Isto contrasta com o caso mostrado na Figura 7, onde as polarizações foram escolhidas para demonstrar o impacto de FWM. Aqui o recurso de Raman é altamente assimétrica.
Como mencionado anteriormente, uma célula Rb abundância natural foi usada para filtrar o feixe de controlo e transmitir o feixe de sonda para a secção de detecção. Devido à alta temperatura desta célula, percebemos que as correntes de ar ao redor das janelas das celas causar variação na visibilidade franja da detecção heteródino, resulting em flutuações do sinal. Este efeito tem sido minimizado mediante a aplicação da detecção heteródina imediatamente após a célula de filtragem e reduzir as correntes de ar em torno das janelas celulares utilizando o design forno apropriado. Observou-se uma perda de sonda de cerca de 30% através da célula de filtragem, devido às reflexões de Fresnel a partir das janelas e à absorção por 87 átomos de Rb na célula de filtragem. Esta perda pode, potencialmente, ser reduzido pelo uso de revestimentos anti-reflexo sobre as janelas de célula e usando puro 85 Rb, em vez de uma mistura natural de Rb.
Numa célula de vapor quente, a difusão é uma das principais limitações para o tempo de armazenamento. Após a absorção de luz, os átomos podem difundir para fora da região coerente, apagando assim parcialmente a informação armazenada. Adicionando um gás tampão (0,5 Torr Kr, na nossa experiência) reduz o efeito de difusão, em certa medida. Gás tampão muito, no entanto, vai aumentar colisão ampliando 31. Isso aumenta dezembroabsorção campo OERÊNCIA e controlo, o que reduz a eficiência da bombagem mencionado acima. Outra maneira de reduzir o efeito de difusão transversal é aumentar o volume de interacção, alargando os perfis transversais de campos de sonda e de controlo. Esta abordagem irá, eventualmente, ser limitada por colisões inelásticas com as paredes das células. Neste caso, as paredes celulares podem ser revestidos com materiais antirelaxation 32, 33, para fornecer as colisões elásticas nas paredes e, por conseguinte, aumentar o tempo de coerência atómica. Ao minimizar a colisão parede inelástica utilizando revestimentos de paredes adequados e aumentando o tamanho do feixe de laser para praticamente cobrir a secção transversal das células, seria de esperar efeitos mínimos de difusão transversal sobre o tempo de armazenamento. Difusão longitudinal pode, em seguida, tornar-se o efeito decoerência dominante em tempos de armazenamento de comprimento. Difusão longitudinal faz com que os átomos de experimentar diferentes intensidades de campo magnético durante o tempo de armazenamento, que pode resultar em Reph reduzidaeficiência asing. Uma forma de controlar a difusão longitudinal seria a utilização de um conjunto atómica frio, tais como átomos que foram arrefecidas numa armadilha magneto-óptica (MOT). Isso, no entanto, requer uma nova camada de complexidade experimental envolvido no controle frio nuvem atômica. Este é um sistema que estamos atualmente avaliando em nosso laboratório 36.
The authors have nothing to disclose.
A pesquisa é apoiada pelo Centro Australian Research Council of Excellence para Computação Quântica e da Comunicação, número do projeto CE110001027.
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 |