JoVE Journal > Engineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Engineering

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Published: November 11, 2013
doi:
10.3791/50552
, , , , , , ,
1ARC Centre for Quantum Computation and Communication Technology, Department of Quantum Science,The Australian National University

Summary

De gradiënt echo geheugen is een protocol voor het opslaan van optische quantum toestanden van licht in atomaire ensembles. Quantum geheugen is een belangrijk element van een quantum repeater, die het bereik van de quantum key distribution kan uitbreiden. Schetsen we de werking van de regeling wanneer geïmplementeerd in een 3-niveau atomaire ensemble.

Abstract

Gradiënt echo geheugen (GEM) is een protocol voor het opslaan van optische quantum toestanden van licht in atomaire ensembles. De belangrijkste motivatie voor een dergelijke technologie is dat quantum key distribution (QKD), die Heisenberg onzekerheid gebruikt om de veiligheid van cryptografische sleutels te garanderen, is beperkt in transmissie afstand. De ontwikkeling van een quantum repeater is een mogelijke weg naar QKD uit te breiden, maar een repeater zal een quantum geheugen. In onze experimenten gebruiken we een gas van rubidium 87 damp die is opgenomen in een warme gas cel. Dit maakt het systeem bijzonder eenvoudig. Het is ook een zeer veelzijdig systeem dat in het geheugen verfijning van de opgeslagen toestand, zoals frequentieverschuiving en bandbreedte manipulatie maakt. De basis van de GEM-protocol is om het licht te absorberen in een ensemble van atomen, dat is opgesteld in een magnetisch veld gradiënt. De omkering van deze gradiënt leidt tot refasering van de atomaire polarisatie en daarmee terugroepen van de opgeslagen optische staat. We zal een overzicht van hoe we de voorbereiding van de atomen en dit verloop en beschrijven ook een aantal van de valkuilen die moeten worden vermeden, in het bijzonder vier-wave mixing, die aanleiding kunnen geven tot optische versterking.

Introduction

Een van de opmerkelijke uitdagingen voor quantum informatie-technologie is de mogelijkheid om een ​​geheugen voor kwantumtoestanden bouwen. Voor fotonische quantum computing 1, of een quantum repeater gebruikt in een quantum key distribution system 2, betekent dit het bouwen van een geheugen dat quantum toestanden van licht 3 kan opslaan. Een van de maatregelen om dit doel benaderingen om ensembles van atomen die kan worden bestuurd zodanig te slaan en vervolgens regelbaar licht los op een later tijdstip. Talrijke technieken zijn ontwikkeld waaronder elektromagnetisch geïnduceerde transparantie (EIT) 4, de atomaire frequentiekamlaser (AFC) 5, 6, 7, four wave mixing (FWM) 8, Raman absorptie 9, Faraday interactie 10 en foton echo technieken 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, ​​19.

De focus van deze paper is Λ – Gradient Echo Memory (Λ-GEM), die werkt met behulp van drie-Level 'Λ' gestructureerde atomaire media. Het werd aanvankelijk in een warme Rb damp cel geïmplementeerd in 2008 20. Deze regeling is gebruikt als willekeurig toegankelijk geheugen voor lichtpulsen, 21, een bewezen efficiëntie zo hoog als 87% 22 bepaalt geruisloze opslag van kwantumtoestanden 23 en toont enkele belofte als een platform voor niet-lineaire optische operaties 24. We hebben onlangs ook een papier dat gaat in detail in op de interactie van dit geheugen met warme atomaire-damp-25 gepubliceerd.

De essentie van de techniek is dat we bereiden een ensemble van atomen die inhomogeen verbreed zodat de atomen een lichtpuls absorbeert. In ons experiment gebruiken we Raman absorptie, zie figuur 1a. De sonde licht, dat moet worden opgeslagen, wordt in kaart gebracht op de samenhang tussen twee grond van de atomen. De verbreding wordt verschaft door een magnetisch veld gradient in de richting van optische voortplanting, induceren een ruimtelijke gradiënt in de Raman absorptie frequenties, zoals getoond in figuur 1b. De verschillende frequentiecomponenten van de opgeslagen puls worden aldus toegewezen aan verschillende ruimtelijke locaties lineair langs de lengte van de atomaire ensemble. Met andere woorden, het ruimtelijke profiel van de atomaire rotatie golf die wordt gegenereerd door de absorptie van de ingang puls is evenredig met de Fourier transformatie van het tijdsverloop van de ingangspuls. Zoals we later zullen schetsen, is deze frequentie verloop dat maakt het ook mogelijk een aantal van de interessante spectrale verwerkingsmogelijkheden van dit geheugen. Door het omkeren van de veldgradiënt, kan de evolutie van de samenhang van de atomaire ensemble tijdsomgekeerde. Dit zorgt voor het ophalen van de lichtpuls.

Protocol

1. Sommige Custom-built Elements Ringresonatoren In dit experiment worden twee ringresonatoren die splitsen en combineren stralen van verschillende frequenties nodig. Het ontwerp van de holte is getoond in Fig. 2. Bouw de resonatoren rond een uitgeholde cilinder van bulk aluminium. Aan de ene kant op, zet twee vlakke spiegels met identieke reflectiviteit. Aan de andere kant monteer een maximale reflectiviteit gebogen spiegel. De spiegels niet te worden vastgelijmd aan de holte spacer. Met een zorgvuldige bewerking van de spacer, de eindkappen genoeg om ze plaats te houden. Combineer de gebogen spiegel met een O-ring en piëzo-elektrische actuator controle van de holte resonantiefrequentie mogelijk. Plaats de O-ring tussen de spiegel en de holte spacer, de piëzo achter de spiegel. Comprimeren deze elementen op de holte spacer met de eind-dop te zorgen voor een snelle bediening van het einde spiegel. De combinatie van O-ring compressieen high-speed piëzo meestal zorgen voor controle bandbreedtes van meer dan 10 kHz. Opmerking: In dit voorbeeld, de afstandhouders zijn ongeveer 25 cm lang. Deze lengte is willekeurig, al moet worden gekozen, dat de controle-en probe licht niet coresonant, waardoor de hyperfine splitsing geen veelvoud van de vrije spectrale bereik moet. Door de ring geometrie, zal de holte hebben ontaarde polarisatiemodi verschillende finesse. De aangepaste beklede spiegels worden gespecificeerd op een holte finesse voorzien rond 1000 voor s-gepolariseerd licht, wat leidt tot een finesse van ongeveer 100 voor p-gepolariseerd licht. Hoewel deze experimenten worden typisch uitgevoerd op lage finesse modus, kan de installatie gemakkelijk worden overgeschakeld naar de hoge-finesse modus moet sterker filtering van de balken vereist. Ontwerp van de geheugencel en de behuizing Om het geheugen apparaat te bouwen, gebruik dan een lange cel met een isotoop verbeterde 87 Rb al.ong met 0,5 Torr van Kr buffer gas. In de setup, de lengte is 20 cm. De ramen van de cel zijn antireflectie coating. Deze cel moet ongeveer 80 ° C met een magnetisch verwarmingsdraad verwarmd. Zet je de cel in drie concentrische spoelen. De twee binnenste spoelen maken het magnetische veld gradiënten. Om deze elektromagneten wind, het uitvoeren van een simulatie met behulp van de Biot-Savart vergelijking. Simuleren de variabele spoed elektromagneet die een lineair variërend magnetisch veld zal bieden. Met behulp van een grafische programma, afdrukken van een plot van deze spiraal op een stuk papier. Wikkel het papier rond een PVC pijp om een ​​lijn te volgen en wind de draad op de buis te bieden. Opmerking: In deze opstelling de spoelen 50 cm lang, meer dan twee keer de lengte van de gascel, om randeffecten te voorkomen. De diameters zijn 6 en 10 cm, die tweemaal de diameter van de cel, te zorgen voor de magnetische velden meestal lengterichting. De gradiënt spoelen tegenover elkaar, zodat that schakelen tussen hen zal het teken van de gradiënt te schakelen (zie figuur 3.). In een typisch experiment, 2-3 A stroomsterkte door deze spoelen en de spoelen geschakeld 3-4 usec. De schakeltijd optimaliseren en stoppen oscillaties gebruiken 200 Ω demping weerstanden in serie met de spoelen. Plaats deze beide spoelen in de derde regel gewikkelde spoel die wordt gebruikt om een ​​DC magneetveld van de degeneratie van de Zeeman niveau tillen. Rubidium heeft een verschuiving van ongeveer 1,4 MHz / G van het magnetisch veld 26. Een typisch veld DC 6 G, terwijl gradiënten 2 G / m zijn. Twee lagen μ-metalen delen rond de drie magneetspoelen de invloed van het aardmagnetisch veld op de proef te verminderen. 2. Lay-out van de optische bundel Pad Gebruik een single mode laser afgestemd buurt van de rubidium D 1 lijn bij 795 nm. Bewaken van de frequentievan de laser met een verzadigde absorptiemeting, zoals weergegeven in figuur 3. Ontstemmen de frequentie 1,5 GHz boven F = 2 tot F '= 2 transitie. Dit zal de geschatte frequentie van de controle balk zijn. Bij de beamsplitter BS2, tikt wat licht uit de belangrijkste laser om de controle balk vormen. Shift de frequentie met de akoestisch-optische modulator AOM1. De AOM kan ook modulatie van de controle bundelvermogen. Om de AOM te rijden, langs de uitgang van een signaal bron via een RF-switch die wordt bestuurd door een TTL-signaal, en vervolgens het signaal te versterken voordat deze in de AOM. Fine-tunen van de controlefrequentie, de Raman absorptie bijvoorbeeld optimaliseren, door het veranderen van de drive frequentie van deze AOM. De RF aandrijffrequentie van de AOM's in de installatie is 80 MHz, maar dit is arbitrair. Ontstemmen de testbundel, die worden opgeslagen in de quantum geheugen met 6,8 GHz van de controle balk die frequentie wordt de hyperfine grondtoestand splitsen87 Rb. Om deze frequentie te bereiden, laat de laser via een vezel gekoppelde elektro-optische modulator die wordt aangedreven door een 6,8 GHz microgolfbron. Dit genereert een reeks zijbanden op harmonischen van 6,8 GHz, boven en onder de draaggolffrequentie. Om een sonde bundel met een zuivere frequentie te krijgen, scheiden de 6. 8 GHz licht van alle andere ongewenste modulatie zijbanden. Om dit te doen, gebruik maken van een van de ring holtes. Lock Cavity 1 op resonantie met de 6. 8 GHz zijband. Deze frequentie zal dan worden overgedragen door de resonator, terwijl alle andere frequenties worden gereflecteerd, waardoor een zuivere frequentie die de F = 1 grondtoestand van het rubidium-atomen zal ingaan voorbereiding. De holte kan worden vergrendeld met de Pound-Drever-Hall-techniek 27], met behulp van het licht gereflecteerd door de ingang spiegel. Tik uit een deel van de laserstraal op BS3 en stuur het via AOM2 om fijne controle van de frequentie en intensiteit van de sonde bundel mogelijk te maken. Erzijn een paar methoden beschikbaar om te rijden de AOM. Gebruik bijvoorbeeld een programmeerbare signaalgenerator ingesteld op Gauss pulsen gemoduleerd op 80 MHz te genereren. Alternatief combineren een continue 80 MHz signaal met een puls op een RF mixer een pulsgemoduleerde bij 80 MHz geven. Hoe dan ook, wordt dit gemoduleerd Gauss vervolgens versterkt en gestuurd in de AOM om een ​​puls van licht te geven in een afgebogen orde van de AOM. Opmerking: Deze afgebogen bestelling fijn gecontroleerde lichtpulsen die kan worden opgeslagen in het geheugen is. De amplitude van de pulsen kan worden afgestemd door een combinatie van de AOM aandrijfvermogen en variëren van de splitsverhouding van BS1. Dit maakt betrouwbare productie van diverse pulsamplituden, en met name maakt de productie van zeer zwakke pulsen met gemiddelde foton getallen kleiner dan 1 23. De volgende stap is de probe en controle balken recombineren. Dit zou kunnen gebeuren met een eenvoudige beamsplitter, maar dat zou betekenen dat het verliezen van een deel van het licht.Wanneer de polarisatie van de sonde en de controle werden orthogonale vervolgens verliesloos recombinatie kan worden bereikt met een polariserende bundelsplitser, maar de opslag kan pas echt worden geoptimaliseerd via onafhankelijke regeling van de probe en controle polarisaties. Om dit te bereiken, moet een tweede, high-efficiency, impedantie afgestemd, ring holte. Opzetten van een holte zodat de sonde bundel door wordt uitgezonden, terwijl het gebied controle wordt gereflecteerd door de uitgang spiegel. Overdracht van de probe via deze tweede resonator ook een tweede laag van frequentiefiltering, waardoor problemen four wave mixing voorkomen. Vergrendel holte naar de frequentie van de testbundel met een extra vergrendeling balk (stippellijn) dat wordt geïnjecteerd in de omgekeerde wijze van de holte. Stem deze bundel naar een andere frequentie, polarisatie en ruimtelijke stand van de testbundel zodat het kan worden gedetecteerd op reflectie zonder dat de testbundel. De reden voor deze poging is datongelooflijk moeilijk is om de low-power, gepulste testbundel gebruiken om de holte te vergrendelen. De besturings-en probe bundels gecollimeerd voordat de geheugencel tot 7 mm en 3 mm maten, respectievelijk. Het veld uit voordat de geheugencel controle ~ 270 mW en sonde vermogen kan worden gekozen uit nul tot enkele microwatt afhankelijk van het experiment run. Met een kwartgolfplaat, pas de polarisatie van de gecombineerde probe en controle balken (ongeveer) cirkelvormig en van dezelfde helicity zijn. Injecteer die in het geheugen gas cel apparaat. Controleer de timing van alle elementen van het experiment met een LabVIEW programma 28. Een typische duty cycle zou zijn 120 msec. Schakel de verwarming uit tijdens de geheugenopslag tijd om interferentie met het geheugen werking te voorkomen. Een kenmerkende tijdreeks wordt getoond in Figuur 4. Indien mogelijk, schakel de controle balk uit wanneer het licht wordt in het geheugen opgeslagen. In een warme gas cel, hoewel the Raman overgang ontstemd uit de aangeslagen toestand na de Doppler breedte, kan het besturingsveld nog een belangrijke bron van decoherentie in het geheugen als gevolg van de niet-nul waarschijnlijkheid van spontane Raman verstrooiing. De Raman verstrooiing is recht evenredig met het besturingsveld vermogen en omgekeerd de ontstemming kwadraat. Als het veld controle wordt gehouden tijdens de gehele bewaartermijn, kan het communiceren met de onderste twee staten en de samenhang te vernietigen met de exponentiële tarief dat is vastgesteld door de verstrooiing. Dit wordt nader toegelicht in het hoofdstuk discussie. Na opslag en recall, passeren de sonde door een filtering cel om het veld controle strippen van de balk. Het is mogelijk om een ​​cel te gebruiken met een natuurlijk mengsel van Rb. De 85 Rb domineert en absorbeert sterk bij de controle balk frequentie, het verstrekken van 60 dB onderdrukking. De sonde bundel wordt verzwakt minder, typisch 1.4 dB. Gebruik van een cel 75 mm lang, verwarmd tot 140 ° C.Een cel met isotopen verbeterde 85 Rb zou leiden tot minder sonde absorptie. De laatste stap is de detectie van de probe pulsen, met een homodyne of heterodyne detectie. Het voordeel van deze detectiemethode is dat deze modus selectief dus enkele resterende controlelampje zal geen invloed hebben op de metingen. De echo heeft een (bijna) circulaire polarisatie, dat is gemaakt met behulp van een lineaire half-wave/quarter-wave plaat combinatie. Om de lokale oscillator produceren, tikt af een deel van de bundel op BS4 en verschuiven de frequentie met behulp AOM4. Bewaar de signaal van de homodyne of heterodyne setup met een snelle oscilloscoop, geactiveerd om het LabVIEW besturingsprogramma.

Representative Results

1. Met behulp van de Raman Absorptie als Diagnostic Tool Het eerste resultaat te verkrijgen is een Raman lijn absorptie van de sonde bundel licht. Optimalisatie van deze absorptie functie gaat een lange weg naar het bereiken van de beste prestaties van het geheugen. Met geschakelde de gradiënt van het magnetische spoelen uitgeschakeld, kan de controle-frequentie worden gescand in de aanwezigheid van een zwakke continue sonde golf. De absorptie van de testbundel is direct gerelateerd aan de optische dichtheid van de atomaire cel. Op basis daarvan kan de temperatuur van de cel, kracht van de controle balk en single photon verstemming worden geoptimaliseerd door een iteratief proces optimaal Raman absorptie geven. Te veel controle-beam macht zal absorptie te verhogen, maar ook verbreding van de breedte van de lijn. Wanneer geoptimaliseerd, de breedte in de orde van 100 kHz in ons systeem. Inschakelen van een van de gradiëntspoelen zal de Raman lijn verbreden. De breedte van de verbrede absorptie schrikkenmijnen de bandbreedte van het geheugen. Een compromis te worden gemaakt tussen optische dichtheid, welk geheugen efficiëntie beïnvloedt en geheugenbandbreedte. De sonde overbrenging is een van verbrede Raman lijnen in figuur 5, waar de geheugenbandbreedte ingesteld op ongeveer 1 MHz. Inschakelen beide magnetische gradientspoelen tegelijkertijd moeten de nonbroadened absorptie lijnbreedte worden teruggewonnen. Eventuele mismatch in de huidige omvang of ruimtelijke inhomogeniteit van de magnetische velden zal direct denken over een verbreding en verstoring van de Raman-absorptie. 2. Pulse Opslag De eenvoudigste configuratie voor het geheugen is enkele puls opslaan en terugvinden. Dat zou bijvoorbeeld opslaan pulsen met een duur 2 usec en schakelen de magnetische gradiënt spoelen 3 usec na de puls piek, zoals weergegeven in figuur 6. Als de optische dichtheid is laag, wat licht leakage zal worden waargenomen afhankelijk van de optische dichtheid (OD) van het medium. Zorgvuldig afstemmen van het geheugen parameters is essentieel voor het verkrijgen van hoge storage-efficiëntie. Dit omvat het optimaliseren van de geheugencel temperatuur, de zorgvuldige afstemming tussen de probe en het besturingsveld, afstemmen van de intensiteit van de controle straal het beste compromis tussen absorptie en verstrooiing vinden dat de juiste polarisatie van de balken en afstemmen van de frequentie van de probe en controle balken. Deze optimalisatie methode wordt verder toegelicht in het hoofdstuk discussie. Efficiëntie van meer dan 80% voor een bewaartijd van 4 msec 22 kan worden verwacht wanneer al deze parameters goed zijn afgestemd. De efficiëntie van de opslag wordt gedefinieerd als de verhouding tussen de energie van de opgeroepen echo en de energie van dezelfde puls die niet is opgeslagen in het geheugen. Deze factoren daadwerkelijk het effect van lineaire verliezen, bijvoorbeeld als gevolg van Fresnel reflecties op de oppervlakken of absorption in de cel filteren. Bij gebruik van een heterodyne detectie, wordt de energie van de pulsen gemeten door kwadrateren het heterodyne signaal en het meten van het gebied van de pols van enveloppen. De frequentie en bandbreedte van de opgehaalde puls afhankelijk van de huidige geïnjecteerd in de gradiëntspoelen. Eenvoudige manipulatie van deze stromingen maakt fijnafstelling van de opgehaalde puls. Complexere spectrale manipulaties (zoals beschreven in 29) kan met een meer geavanceerde spoel opstart wanneer de gradiënt langs het geheugen kan worden afgesteld in functie van plaats en tijd onafhankelijk. Figuur 1. a) Het niveau regeling binnen de 87 Rb D 1 regel gebruikt in het geheugen. De sonde licht wordt geabsorbeerd Raman een samenhang bet maken ween F = 1 en F = 2 grond-staten. b) de magnetische veldgradiënt haal ruimtelijk afhankelijke verstemming van de grond-staten volgens de lengte van de cel. Het omkeren van de gradiënt en draaien aan de bundel haal terugroepen van de opgeslagen sonde licht. (Aangepast uit [34]). Klik hier voor grotere afbeelding . Figuur 2. Schematische voorstelling van een optische modus schoner. Raadpleeg de sectie Methoden voor een beschrijving. Klik hier voor grotere afbeelding . ig3.jpg "width =" 500px "/> Figuur 3. Schematische voorstelling van de experimentele opstelling AOM = akoestisch-optische modulator;. EOM = Electro-Optic Modulator; BS = beamsplitter; λ / 4 = kwartgolfplaat. Klik hier voor grotere afbeelding . Figuur 4. Een typische timing volgorde voor het geheugen. (Genomen uit 35). Klik hier voor grotere afbeelding . Figuur 5. Typische mengt verbreed Raman lijn wanneer een van the magnetische gradiënt spoelen wordt ingeschakeld. De gegevens (dunne volle lijn) is genomen met heterodyne meting. De oscillatie door het ritme van de sonde licht en de plaatselijke oscillator licht. De gestippelde kromme toont de omhullende van deze gegevens die de vorm van de verbrede Raman lijn. (Gewijzigd uit 25). Klik hier voor grotere afbeelding . Figuur 6. Typische gemiddelde rendement GEM echo voor korte bewaartijd. De magnetische gradiëntspoelen zijn ingeschakeld op t = 10 usee (stippellijn). Rood: ingangsimpuls intensiteitsprofiel. Blauw: intensiteit uitgang van het geheugen, waaruit blijkt gelekt licht (dat is duidelijk onder de rode ingangspuls) en memoreerde echo, dat verschijnt aan de rechterkant van thij stippellijn. Klik hier voor grotere afbeelding . Figuur 7. Vier-wave mixing effect, bij het ​​scannen van de Raman-lijn, voor verschillende controle-veld bevoegdheden en celtemperaturen. Voor dit cijfer alleen, de polarisaties van de controle-veld en probe balken werden gekozen zodat zij het ​​effect te maximaliseren. Pc is de controle balk macht. (Gewijzigd uit 25). Klik hier voor grotere afbeelding .

Discussion

Een noodzakelijke voorwaarde voor een hoge efficiëntie van het geheugen is een hoge OD [30]. De OD van Λ-GEM is evenredig met de Raman factor Ω_c 2/2 Δ, waarbij Ω_c de koppeling veld Rabi frequentie Δ is ​​de Raman ontstemming van de aangeslagen toestand. De spontane Raman scattering tarief is ook evenredig met de Raman-factor en er is dus een trade-off tussen het bereiken van hoge absorptie en lage verstrooiing verliezen. Om de optimale instellingen voor de controle veld kracht, detuning en gas temperatuur gebruiken we een iteratief proces. De verstrooiing verliezen kunnen tot op zekere hoogte worden beperkt door de controle balk tijdens de opslag uit te schakelen, nadat de pols volledig is geabsorbeerd. Optische dikte wordt ook beïnvloed door de interne toestand van de atomen. Ideaal zou zoveel mogelijk atomen hebben de F = 1 hyperfijnniveaus niveau om de absorptie van de sonde te verhogen. De besturing bundel speelt ook een rol omdat het fungeert atomen pompen uit de F = 2F = 1 niveaus. Dit is niet erg efficiënt, vanwege de verstemming, maar de besturing bundel krachtig en kan aanwezig blijven gedurende lange perioden tussen puls opslag experimenten. De breedte van de Raman lijn in ons experiment op ongeveer 100 kHz, die meestal een gevolg van vermogen verbreding door het besturingsveld. Dit correspondeert bijna met de snelheid waarmee atomen gepompt uit het F = 2 F = 1 hyperfine staat. Er zullen echter sommige bevolkingsgroepen over op mf = 2 (of -2 afhankelijk van het teken van de circulaire polarisatie) van hyperfijn niveau F = 2 door het ontbreken van toegestane optische overgangen.

De OD zal ook sterk afhankelijk van de temperatuur van de cel, waarbij het aantal atomen in de gasfase bepaald. We gebruiken een temperatuur van ongeveer 78 ° C, gemeten in het midden van de cel. We hebben gemerkt dat onze cel, verhogen van de temperatuur boven 85 ° C, kan leiden tot opname van het besturingsveld en enkele onsamenhangende absorptie van ee sonde signaal. De verwarming wordt uitgeschakeld tijdens de experimentele run niet te verstoren het magnetisch veld in de cel.

Polarisaties zowel probe en controle gebieden een cruciale rol bij de absorptie-rendement van het geheugen. De D1 overgang lijn van 87Rb heeft twee hyperfijne aangeslagen toestanden met een totaal van 8 Zeeman subniveaus. In principe is de keuze van identieke cirkelvormige polarisaties zowel de probe en de controlevelden zodat ze alleen interageren met de aangeslagen toestand level mf = 2 (of -2), F '= 2. De lineaire of elliptische polarisaties van de laser velden geven aanleiding tot Raman koppeling via andere Zeeman subniveaus F '= 1, 2. Dit zal leiden tot verbreding en asymmetrie in de Raman lijn vorm, vanwege de verschillende koppelingsconstanten en ac Stark verschuivingen van de verschillende overgangen. Helaas kan identiek circulair gepolariseerde probe en controle velden voorbereid voordat het geheugen verschillende polarisatie zelf-r ervarenotations ze zich voortplanten door het geheugen. Dit effect is meer uitgesproken bij hoge OD media, die wij in ons experiment. Dit betekent dat de afstemming van probe en controle bundel polarisatie is nodig om het effect van zelf-rotatie tegengaan.

Om de zaken nog ingewikkelder te maken, kan een gedegenereerde vier-wave mixing (FWM) proces soms gezien worden bij het ​​werken met grote OD 25. Dit kan leiden tot versterking en dus ruis introduceren aan de uitgang staat van het geheugen. In het bijzonder wanneer lineaire polarisatie wordt gebruikt voor zowel de controle en probe balken, de FWM effect worden sterk verbeterd door de Raman excitatie door meerdere aangeslagen toestanden. De voorwaarden waaronder het FWM proces ofwel versterkt of onderdrukt in ons systeem worden samengevat in 25 Ref. Het effect van FWM kan worden beperkt door, opnieuw afstemmen van de polarisatie van de probe en controle balken. Zo kan FWM processen worden verminderd tot het punt dat zijgeen ruis toe te voegen aan de teruggeroepen licht 23. Met betrekking tot de FWM, is het vermeldenswaard dat beide holtes een belangrijke rol spelen in het onderdrukken van de -6,8 GHz zijband gegenereerd door de Fiber-EOM die anders zouden zaaien de FWM proces.

Zowel zelf-rotatie en FWM van invloed op de vorm van de verbrede Raman lijn. Na fijnregeling kan men een zeer symmetrische ruwweg rechthoekig gevormde absorptie functie verwezenlijken zoals getoond in figuur 5. Dit in tegenstelling tot de in figuur 7 waar polarisaties werden gekozen om het effect van FWM tonen case. Hier de functie Raman zeer asymmetrisch.

Zoals eerder vermeld, is een natuurlijke abundantie Rb cel gebruikt om de controle balk filter passeren de testbundel de sectie detectie. Door de hoge temperatuur van deze cel, merkten we dat luchtstromen rond de cel ramen veroorzaken variatie in de rand zichtbaarheid van de heterodyne detektie, repleging in fluctuaties van het signaal. Dit effect is geminimaliseerd door de uitvoering van de heterodyne detectie onmiddellijk na de filtering cel en het verminderen van de luchtstromen rond de cel ramen met behulp van geschikte oven design. We zagen een sonde verlies van ongeveer 30% door de filtering cel, als gevolg van Fresnel reflecties van de ramen en de absorptie door 87 Rb atomen in de cel filteren. Dit verlies kan mogelijk worden verminderd door antireflecterende coatings op de cel ramen en met zuivere 85 Rb plaats van een natuurlijk mengsel van Rb.

In een warme damp cel diffusie is een van de belangrijkste beperkingen van de opslagtijd. Na het licht te absorberen, kan diffunderen uit de coherente regio, dus ten dele het wissen van de opgeslagen informatie. Het toevoegen van een buffergas (0,5 Torr Kr in ons experiment) vermindert het effect van diffusie enigszins. Teveel buffergas zal echter toenemen botsing verbreding 31. Dit verhoogt decemberAMENHANG en controleveld absorptie, die de efficiëntie van de bovengenoemde pomp vermindert. Een andere manier om het effect van transversale diffusie te verminderen is het interactievolume verhogen door het vergroten van de dwarsprofielen van de velden probe en controle. Deze benadering zal uiteindelijk beperkt door inelastische botsingen met de celwanden. In dit geval kan de celwanden worden bekleed met antirelaxation materialen 32, 33, elastische botsingen verstrekken over de muren en daardoor aantrekkelijker atomaire coherentietijd. Door het minimaliseren van de inelastische muur botsing met de juiste muur coatings en het verhogen van de laserstraal grootte van bijna betrekking hebben op de cel doorsnede, zou een minimale effecten van de dwarse diffusie op de opslagtijd verwachten. Longitudinale diffusie zou dan tot de dominante decoherentie effect op lange bewaartijd. Longitudinale diffusie zorgt de atomen verschillende magnetische veldsterktes ervaren tijdens opslagtijd die kan leiden tot verminderd RephAsing efficiëntie. Een manier om longitudinale diffusie controle zou een atomaire ensemble, zoals atomen die in een magneto-optische val (MOT) afgekoeld gebruiken. Dat vereist echter een nieuwe laag experimentele complexiteit van controle atomaire wolk. Dit is een systeem dat we evalueren momenteel in ons laboratorium 36.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Het onderzoek wordt ondersteund door het Centrum Australian Research Council of Excellence voor Quantum Computation en Communicatietechnologie, projectnummer 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
  2. 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).
  3. Lvovsky, A. I., Sanders, B. C., Tittel, W. Optical quantum memory. Nat. Pho. 3, 76 (2009).
  4. Fleischhauer, M., Lukin, M. D. Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency. Phys. Rev. Let. 84, 5094 (2000).
  5. Afzelius, M., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Multi-Mode Quantum Memory based on Atomic Frequency Combs. Phys. Rev. A. 79, 052329 (2009).
  6. Clausen, C., et al. Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature. 469, 508 (2011).
  7. Saglamyurek, E., et al. Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature. 469, 512 (2011).
  8. 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).
  9. 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).
  10. Jensen, K., et al. Quantum memory for entangled continuous-variable states. Nature Physics. 7, 13 (2010).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. Alexander, A., Longdell, J. J., Sellars, M., Manson, N. Photon echoes produced by switching electric fields. Phys. Rev. Let. 96, 043602 (2006).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Hedges, M. P., Longdell, J. J., Li, Y., Sellars, M. J. Efficient quantum memory for light. Nature. 465, 1052-1056 (2010).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Hosseini, M., Campbell, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K., Buchler, B. C. Unconditional room-temperature quantum memory. Nat. Phys. 7, 794-798 (2011).
  24. 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).
  25. 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).
  26. 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).
  27. 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).
  28. 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).
  29. Sparkes, B. M., et al. Precision Spectral Manipulation: A Demonstration Using a Coherent Optical Memory. Phys. Rev. X. 2, 021011 (2012).
  30. 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).
  31. Erhard, M., Helm, H. Buffer-gas effects on dark resonances: Theory and experiment. Phys. Rev. A. 63, 043813 (2001).
  32. Balabas, M. V., et al. High quality anti-relaxation coating material for alkali atom vapor cells. Opt. Expr. 18, 5825-5830 (2010).
  33. 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).
  34. 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).
  35. Higginbottom, D. B. . Spatial Multimode Storage in a Gradient Echo Memory [dissertation]. , (2012).
  36. Sparkes, B. M., et al. Gradient echo memory in an ultra-high optical depth cold atomic ensemble. arXiv. , (2012).

Tags

Gradient Echo MemoryQuantum MemoryWarm Atomic VaporQuantum Key DistributionQuantum RepeaterRubidium 87Magnetic Field GradientFour-wave Mixing

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Pinel, O., Hosseini, M., Sparkes, B. M., Everett, J. L., Higginbottom, D., Campbell, G. T., Lam, P. K., Buchler, B. C. Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor. J. Vis. Exp. (81), e50552, doi:10.3791/50552 (2013).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image