La memoria eco di gradiente è un protocollo per la memorizzazione di stati quantistici ottici di luce in gruppi atomici. Memoria quantistica è un elemento chiave di un ripetitore quantistico, in grado di ampliare la gamma di distribuzione quantistica delle chiavi. Abbiamo delineare il funzionamento del sistema quando viene implementato in un 3-livello complesso atomico.
Gradient memoria echo (GEM) è un protocollo per la memorizzazione di stati quantistici ottici di luce in gruppi atomici. La motivazione principale di tale tecnologia è che la distribuzione quantistica chiavi (QKD), che utilizza Heisenberg incertezza per garantire la sicurezza delle chiavi crittografiche, si limita a distanza di trasmissione. Lo sviluppo di un ripetitore quantistico è un possibile percorso per estendere la portata QKD, ma un ripetitore avrà bisogno di una memoria quantistica. Nei nostri esperimenti si usa un gas di rubidio 87 vapore che è contenuto in una cella di gas caldo. Questo rende il sistema particolarmente semplice. E 'anche uno schema altamente versatile che consente in memoria raffinatezza dello stato memorizzato, come spostamento di frequenza e manipolazione di banda. La base del protocollo GEM è quello di assorbire la luce in un insieme di atomi che è stato preparato in un gradiente di campo magnetico. L'inversione di questo gradiente porta alla rifasamento della polarizzazione atomica e quindi richiamo dello stato ottica memorizzato. We illustrerà come si sta preparando gli atomi e questo gradiente e anche descrivere alcune delle insidie che devono essere evitati, in particolare miscelazione a quattro onde, che può dar luogo a guadagno ottico.
Una delle sfide più importanti che affrontano la tecnologia dell'informazione quantistica è la capacità di costruire una memoria per gli stati quantistici. Per fotonica computazione quantistica 1, o un ripetitore quantistico utilizzato in un sistema di distribuzione di chiavi quantistiche 2, questo significa costruire una memoria capace di immagazzinare stati quantistici di luce 3. Uno degli approcci adottati per raggiungere questo scopo è quello di utilizzare insiemi di atomi che possono essere controllati in modo da memorizzare e poi rilasciare controllabile luce in un momento successivo. Sono state sviluppate numerose tecniche tra cui la trasparenza elettromagneticamente indotta (EIT) 4, la frequenza pettine atomico (AFC) 5, 6, 7, four-wave mixing (FWM) 8, assorbimento Raman 9, interazione Faraday 10 e fotoni tecniche eco 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
Il focus di questo articolo è Λ – Gradient Echo Memory (Λ-GEM), che funziona con treMezzi atomici strutturati a livello di 'Λ'. Inizialmente è stato implementato in una cella di vapore Rb caldo nel 2008 20. Questo schema è stato usato come una memoria ad accesso casuale per impulsi di luce, 21, ha una efficienza dimostrata alto come 87% 22, fornisce stoccaggio silenzioso di stati quantistici 23 e mostra qualche promessa come piattaforma per operazioni ottici non lineari 24. Abbiamo anche recentemente pubblicato un documento che va in qualche dettaglio circa l'interazione di questa memoria con il caldo vapore atomico 25.
L'essenza della tecnica è che si sta preparando un insieme di atomi che disomogeneamente ampliata in modo che gli atomi assorbono un impulso di luce. Nel nostro esperimento usiamo assorbimento Raman, come mostrato in figura 1a. La luce sonda, che deve essere memorizzata, sarà mappato sulla coerenza tra due stati fondamentali degli atomi. L'allargamento è fornita applicando un campo magnetico gradient lungo la direzione di propagazione ottica, inducendo un gradiente spaziale nelle frequenze di assorbimento Raman, come mostrato in Figura 1b. Le diverse componenti di frequenza del polso memorizzati vengono quindi mappati a differenti posizioni spaziali linearmente lungo la lunghezza del complesso atomico. In altre parole, il profilo spaziale dell'onda di spin atomico generato dall'assorbimento dell'impulso d'ingresso è proporzionale alla trasformata di Fourier del profilo temporale dell'impulso d'ingresso. Come ci illustrerà più avanti, è questo gradiente frequenza che consente anche alcune delle interessanti funzionalità di elaborazione spettrali di questa memoria. Invertendo il gradiente di campo, l'evoluzione della coerenza dell'insieme atomico può essere tempo invertito. Questo consente di ricavare dell'impulso di luce.
Una condizione necessaria per un rendimento elevato memoria è un OD elevata [30]. L'OD di Λ-GEM è proporzionale al fattore Raman Ω_c 2 / Δ 2, dove Ω_c è la frequenza Rabi campo accoppiamento e Δ è detuning Raman dallo stato eccitato. Il tasso di scattering Raman spontaneo è anche proporzionale al fattore Raman e non vi è quindi un trade-off tra il conseguimento di assorbimento e basse perdite di scattering. Per trovare le impostazioni ottimali per la temperatura di potenza, detuning e gas campo di controllo usiamo un processo iterativo. Le perdite di scattering possono essere alquanto mitigato spegnendo il fascio di controllo durante la conservazione, dopo l'impulso viene completamente assorbito. Spessore ottico è anche influenzato dallo stato interno degli atomi. Idealmente vorremmo avere come molti atomi possibili nel livello hyperfine F = 1 per aumentare l'assorbimento della sonda. Il fascio di controllo svolge un ruolo anche qui in quanto agisce per pompare atomi dalla F = 2F = 1 livelli. Questo non è molto efficiente, a causa del detuning, ma il fascio di controllo è potente e può essere lasciato acceso per lunghi periodi di tempo tra esperimenti stoccaggio impulsi. La larghezza della linea Raman nel nostro esperimento è di circa 100 kHz, che è principalmente un risultato di allargamento potenza causato dal campo di controllo. Ciò corrisponde quasi alla velocità con cui gli atomi vengono pompati dalla F = 2 allo stato F = 1 iperfine. Tuttavia ci sarà una certa popolazione lasciato sul mf = 2 (o -2 seconda del segno della polarizzazione circolare) di livello iperfine F = 2 per la mancanza di transizioni ottiche consentiti.
La DO dipenderà anche fortemente dalla temperatura della cella, che determina il numero di atomi in fase gassosa. Usiamo una temperatura di circa 78 ° C, misurata al centro della cella. Abbiamo notato che nella nostra cella, aumentando la temperatura oltre 85 ° C può provocare un certo assorbimento del campo di controllo così come alcuni assorbimento incoerente di thsegnale e sonda. Il riscaldatore è spento durante la prova sperimentale per non disturbare il campo magnetico all'interno della cellula.
Polarizzazioni di entrambi i campi sonda e controllo giocano un ruolo cruciale nella efficienza di assorbimento della memoria. La linea di transizione D1 del 87Rb ha due stati eccitati iperfini con un totale di 8 sottolivelli Zeeman. In linea di principio, la scelta di polarizzazioni circolari identici sia per la sonda ei campi di controllo assicura che interagiscono solo con il livello stato eccitato mf = 2 (o -2), F '= 2. Le polarizzazioni lineari o ellittiche dei campi laser provocano accoppiamento Raman via altri sottolivelli Zeeman di F '= 1, 2. Ciò comporterà ampliamento e asimmetria nella forma linea Raman, a causa delle diverse costanti di accoppiamento e ac Stark spostamenti delle varie transizioni. Purtroppo, campi di sonde e di controllo polarizzata identico circolari preparati prima che la memoria possono sperimentare diverse polarizzazione di auto-rotations come si propagano attraverso la memoria. Questo effetto è più pronunciato nei media OD alti, che abbiamo nel nostro esperimento. Ciò significa che la messa a punto di sonda e controllo del fascio di polarizzazione è necessaria per contrastare l'impatto di auto-rotazione.
A complicare ulteriormente le cose, un processo degenerato di miscelazione a quattro onde (FWM) a volte può essere visto quando si lavora con grande OD 25. Ciò può causare amplificazione e di conseguenza introdurre rumore allo stato di uscita della memoria. In particolare, quando la polarizzazione lineare viene utilizzato sia per il controllo e travi sonda, l'effetto FWM può essere notevolmente migliorata a causa della eccitazione Raman attraverso molteplici stati eccitati. Le condizioni in cui il processo di FWM si sia migliorata o soppresso nel nostro sistema sono riassunti nella Rif. 25. L'impatto di FWM può essere attenuato, ancora una volta, messa a punto la polarizzazione dei fasci sonda e di controllo. In questo modo, i processi di FWM possono essere ridotti al punto che fannonon aggiungere rumore al richiamato luce 23. Per quanto riguarda FWM, vale la pena notare che entrambe le cavità hanno un ruolo importante nel sopprimere la -6.8 GHz banda laterale generata dal Fiber-missione che altrimenti inizializzare il processo FWM.
Sia auto-rotazione e FWM influenzano la forma della linea Raman ampliato. Dopo la messa a punto, si può ottenere una caratteristica del tutto simmetrica, approssimativamente rettangolare a forma di assorbimento come mostrato in Figura 5. Ciò contrasta con il caso mostrato in figura 7, dove sono stati scelti polarizzazioni per dimostrare l'impatto di FWM. Qui la funzione Raman è altamente asimmetrica.
Come accennato in precedenza, una cella Rb abbondanza naturale è stato usato per filtrare il fascio di controllo e passare il fascio sonda alla sezione di rivelazione. A causa della elevata temperatura di questa cella, abbiamo notato che le correnti d'aria intorno alle finestre della cella causano variazione della visibilità frangia del rilevamento eterodina, risulting fluttuazioni del segnale. Questo effetto è stato minimizzato implementando il rilevamento eterodina subito dopo la cella filtrante e ridurre le correnti d'aria intorno alle finestre della cella utilizzando un'adeguata progettazione forno. Abbiamo osservato una perdita sonda di circa il 30% attraverso la cella filtrante, a causa di Fresnel riflessi dalle finestre e all'assorbimento da 87 atomi di Rb nella cella filtrante. Questa perdita può potenzialmente essere ridotto utilizzando rivestimenti antiriflesso sulle finestre della cella e utilizzando puro 85 Rb invece di una miscela naturale di Rb.
In una cella di vapore caldo, diffusione è una delle principali limitazioni al tempo di stoccaggio. Dopo assorbire la luce, atomi possono diffondere fuori della regione coerente, così parzialmente cancellando le informazioni memorizzate. Aggiunta di un gas tampone (0,5 Torr Kr, nel nostro esperimento) riduce l'effetto di diffusione in una certa misura. Gas tampone Troppo, però, aumenterà collisionale ampliando 31. Questo aumenta dicembreOERENZA e controllo assorbimento campo, che riduce l'efficienza del pompaggio di cui sopra. Un altro modo per ridurre l'effetto di diffusione trasversale è quello di aumentare il volume di interazione allargando i profili trasversali dei campi sonda e controllo. Questo approccio finirà limitato da urti anelastici con le pareti cellulari. In questo caso, le pareti cellulari possono essere rivestite con materiali antirelaxation 32, 33, per fornire collisioni elastiche sulle pareti e quindi migliorare il tempo di coerenza atomico. Minimizzando la collisione anelastica parete utilizzando rivestimenti adeguati e aumentando le dimensioni del fascio laser a coprire quasi la sezione trasversale cella, ci si aspetterebbe effetti minimi dalla diffusione trasversale sul tempo di conservazione. Diffusione longitudinale potrebbe allora diventare l'effetto di decoerenza dominante in tempi di conservazione lunghi. Diffusione longitudinale fa sì che gli atomi di sperimentare diversi punti di forza del campo magnetico durante la fase di stoccaggio che può portare a reph ridottaefficienza Asing. Un modo per controllare la diffusione longitudinale sarebbe quella di utilizzare un insieme atomico freddo, come atomi che sono stati raffreddati in una trappola magneto-ottica (MOT). Che, tuttavia, richiede un nuovo livello intero di complessità sperimentale coinvolti nel controllo fredda nube atomica. Questo è un sistema che stiamo valutando nel nostro laboratorio 36.
The authors have nothing to disclose.
La ricerca è sostenuta dal Centro Australian Research Council of Excellence per Quantum Computation and Communication Technology, numero di progetto 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 |