グラディエントエコーメモリは、原子アンサンブルで光の光の量子状態を格納するためのプロトコルです。量子メモリは、量子鍵配送の範囲を拡張することができ、量子中継器の重要な要素である。 3レベルの原子集団に実装されている場合、私たちは、方式の動作の概要を説明します。
グラディエントエコーメモリ(GEM)は、原子アンサンブルで光の光の量子状態を格納するためのプロトコルです。このような技術の主な動機は、暗号鍵のセキュリティを保証するためにハイゼンベルグの不確定性を使用して量子鍵配送(QKD)は、伝送距離が制限されることである。量子中継器の開発は、QKDの範囲を拡張することのパスですが、リピータは、量子メモリが必要になります。我々の実験では、温かみのガスセルに含まれているルビジウム87蒸気のガスを使用しています。これはスキームは特に簡単になります。また、そのような周波数シフトや帯域幅操作などの保存された状態のインメモリ微細化が可能になり、汎用性の高い方式です。 GEMプロトコルの基礎は、磁場勾配で調製された原子の集合体に光を吸収することである。この勾配の逆転は、原子分極の再位相とストアド光学状態のこのようリコールにつながる。 Weは、我々が炭素原子とこの勾配を準備する方法の概要を示し、また光利得を生じさせることができ、特に、四光波混合において、回避する必要がある落とし穴のいくつかを説明する。
量子情報技術が直面する顕著な課題の一つは、量子状態のためのメモリを構築する機能です。フォトニック量子計算1、又は量子暗号鍵配布システム2において使用量子情報中継の場合、これは光3の量子状態を格納できるメモリを構築することを意味する。この目標に向かって取らアプローチの一つは、格納し、制御可能にしばらくして光を放出するように制御することができる原子のアンサンブルを使用することである。多くの技術は、電磁誘導透過(EIT)4、原子周波数コム(AFC)5、6、7、四光波混合(FWM)8、ラマン吸収9、ファラデーインタラクション10およびフォトンエコー技法11、12を含むが開発されている、13、14、13、15、16、17、18、19。
この論文の焦点はΛである – 3を使用して動作するグラディエントエコーメモリ(Λ-GEM)、レベル 'Λ'構造化された原子のメディア。当初は2008年20暖かいのRb蒸気セルで実装されました。この方式は、光パルスのランダムアクセスメモリ21として使用されている、87〜22%と高い効率が実証された量子状態23のノイズのないストレージを提供し、非線形光24の操作のためのプラットフォームとして、いくつかの有望性を示している。我々はまた、最近、暖かい原子蒸気25とこのメモリの相互作用に関するいくつかの詳細に入る論文を発表しています。
技術の本質は、我々は原子が光のパルスを吸収するように不均一に広がっている原子のアンサンブルを準備することである。 図1aに示すように私たちの実験では、ラマン吸収を使用しています。格納されるプローブ光は、二つの原子の基底状態間のコヒーレンスにマッピングされる。広がりは、磁場を印加することによって提供されるgradien光伝播方向に沿ってtを図1bに示すように、ラマン吸収周波数の空間的勾配を誘起。記憶されたパルスの異なる周波数成分は、このように直線状原子集団の長さに沿って異なる空間位置にマッピングされる。換言すれば、入力パルスの吸収によって生成された原子のスピン波の空間的プロファイルは、入力パルスの時間プロファイルのフーリエ変換に比例する。後で概説するように、それはまた、このメモリの興味深いスペクトル処理機能の一部を可能にする、この周波数勾配である。磁場勾配を逆転させることにより、原子集団のコヒーレンスの進化は、時間反転することができる。これは光のパルスの取り出しが可能になります。
高いメモリ効率のために必要な条件は、高いOD [30]である。 Λ-GEMのODはΩ_cが結合磁界ラビ周波数であり、Δは励起状態からのラマン離調であるラマン係数Ω_c2 /Δ2に比例する。自発ラマン散乱速度はまた、ラマン係数に比例し、高い吸収及び低散乱損失を達成することとの間にはトレードオフが存在する。我々は反復プロセスを使用して制御フィールド電源、離調およびガス温度に最適な設定を探してください。パルスが完全に吸収された後、散乱損失は、貯蔵中に制御光をオフに切り替えることにより、ある程度緩和することができる。光学的深さはまた、原子の内部状態に影響されます。理想的には、プローブの吸収を増加させるためにF = 1の超微細レベルで可能な限り多くの炭素原子を持っていると思います。それは= 2、Fからの原子をポンピングするように作用するように制御ビームもここで役割を果たしているFは1レベル=。これは、離調のために非常に効率的ではないが、制御光は強力であり、パルス蓄積実験間の長時間オンのままにすることができる。我々の実験におけるラマン線の幅は、主制御フィールドによる電力広がりの結果である約100 kHzのである。これはほとんど原子がF = 1の超微細状態に= 2 Fからポンプされる速度に相当する。しかし、いくつかの人口が原因で許可された光学遷移がないために= 2の超微細レベルのF(円偏光の符号に応じて、または-2)MF = 2に残さがあるでしょう。
ODは、ガス相中の原子の数を決定するセルの温度に強く依存する。我々は、細胞の中心で測定周りに78°Cの温度を使用する。私たちは、細胞内で、制御フィールドのいくつかの吸収だけでなく、目のある非干渉性吸収につながることができる85℃に超えて温度を上昇させることに気づいた電子プローブ信号。ヒーターは細胞内部に磁場を乱さないようするために、実験の実行中にオフになります。
両方のプローブおよびコントロールフィールドの偏光はまた、メモリの吸収効率に重要な役割を果たしている。 87RbのD1遷移線は8ゼーマンサブレベルの合計で2の超微細励起状態を持っています。原則として、プローブおよび制御フィールドの両方で同一の円偏光の選択は、彼らが唯一の励起状態のレベルのMF = 2(または-2)、F '= 2と相互作用することを保証します。レーザー場の線形または楕円偏光は= 1、Fの他のゼーマンサブレベル」、2を介して、ラマン結合を生じさせる。これは、異なる結合定数および種々の遷移の交流スタークシフトに、ラマン線状の広がりと非対称をもたらす。残念ながら、メモリの前に用意し、同一の円偏光プローブと制御フィールドは異なる偏光自己Rを体験することができますotations彼らはメモリを介して伝搬する。この効果は、我々の実験で持っている高いODメディアでより顕著である。これは、プローブおよび制御光の偏光の微調整が自転の影響を打ち消すために必要とされることを意味する。
大きなOD 25を操作するときに、さらに複雑なことに、縮退4光波混合(FWM)プロセスは、時々見ることができる。これは、増幅を引き起こし、その結果、メモリの出力状態にノイズを導入することができる。直線偏光を制御し、プローブビームの両方に使用される場合、特に、FWM効果が大きくによる複数の励起状態を介してラマン励起に向上させることができる。 FWMプロセスが増強または我々のシステムにおいて抑制されるかの条件は文献25に要約されている。 FWMの影響により、再度、プローブおよび制御光の偏光の微調整を緩和することができる。このようにして、FWMプロセスは、彼らが行う点に低減することができるリコール光23にノイズを追加しない。 FWMに関しては、両方のキャビティが他のFWMプロセスをシードあろ繊維EOMによって生成-6.8 GHzの側波帯を抑制するのに重要な役割を果たすことは注目に値する。
自転とFWMの両方を広げるラマン線の形状に影響を与える。 図5に示すように微調整した後、一方は非常に対称的な、略矩形状の吸収特性を達成することができる。これは、偏光がFWMの影響を実証するために選択された、図7に示す場合とは対照的である。ここラマン機能は、きわめて非対称である。
前述のように、天然の存在量のRbセルが制御ビームをフィルタリングし、検出部にプローブビームを渡すために使用した。これにより、セルの高温に、我々は、セルの窓の周りに空気の流れを再、ヘテロダイン検出の縞の可視性の変化を引き起こすことに気づい信号の変動にsulting。この効果は、直ちに濾過した後、細胞ヘテロダイン検出を実施し、適切なオーブンの設計を使用してセルの窓の周りに空気の流れを減少させることによって最小化されている。我々は、Windowsからのフレネル反射にとフィルタリングセル内の87のRb原子による吸収のために、フィルタリングセルを介して約30%のプローブの損失を観察した。この損失は、潜在的にセルの窓に反射防止コーティングを用いて、純粋な85 Rbの代わりに、Rbの天然混合物を使用することによって低減することができる。
温かい蒸気セルにおいて、拡散は蓄積時間の主な制限の一つである。光を吸収した後、炭素原子は、このように部分的に記憶された情報を消去し、コヒーレントな領域の外に拡散することができる。 (我々の実験において0.5トルのKr)、緩衝ガスを追加すると、ある程度の拡散の影響を低減する。あまりにも多くのバッファガスは、しかし、31を広げる衝突増加する。これは12月を増加上述のポンピングの効率を低下させるoherence及び制御電界吸収、。横方向の拡散の影響を低減する別の方法は、プローブと、制御フィールドの横方向のプロファイルを拡大することにより相互作用容積を増加させることである。このアプローチは、最終的に細胞壁との非弾性衝突によって制限される。この場合には、細胞壁は壁に弾性衝突を提供し、従って、原子コヒーレンス時間を向上させるために、antirelaxation材料32,33で被覆することができる。適切な壁のコーティングを使用し、ほぼセルの断面を覆うように、レーザビームの大きさを増大させる非弾性壁衝突を最小化することによって、人は蓄積時間上の横方向の拡散からの最小限の効果を期待する。縦方向の拡散は、長い貯蔵時間で支配的なデコヒーレンス効果になる可能性があります。長手方向の拡散は、原子が低減rephをもたらすことができる蓄積時間中に異なる磁界強度を経験させるasing効率。長手方向の拡散を制御する1つの方法は、例えば、磁気光学トラップ(MOT)中で冷却されている炭素原子のように、冷原子集団を使用することであろう。それは、しかし、寒さの原子雲の制御に関与する実験の複雑さの全く新しい層を必要とします。これは、我々は現在、我々の研究室36に評価しているシステムです。
The authors have nothing to disclose.
研究は量子計算のための優秀オーストラリア研究会議センターと通信技術、プロジェクト番号のCE110001027でサポートされています。
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 |