구배 에코 메모리 원자 앙상블 광의 광학 양자 상태를 저장하기위한 프로토콜이다. 양자 메모리는 양자 키 분배의 범위를 확장 할 수있는 양자 중계기의 핵심 요소이다. 3 – 레벨 원자 앙상블에서 구현 될 때 우리 방식의 동작 개요.
그라데이션 에코 메모리 (GEM)는 원자 앙상블에서 빛의 광학 양자 상태를 저장하기위한 프로토콜입니다. 이러한 기술에 대한 기본 동기는 암호화 키의 보안을 보장하기 위해 하이젠 베르크의 불확실성을 사용하여 양자 키 분배 (QKD)는, 전송 거리에 제한이 있다는 것입니다. 양자 중계기의 개발 QKD 범위를 확장시킬 수있는 가능한 경로이지만, 중계기는 양자 메모리를 필요로 할 것이다. 우리의 실험에서 우리는 따뜻한 가스 셀에 포함 된 루비듐 87 증기의 가스를 사용합니다. 이 방식은 특히 간단합니다. 그것은 또한 주파수 대역폭 및 변속 조작과 같은 저장 상태의 메모리 정제를 가능하게 매우 다양한 방식이다. GEM 프로토콜의 기초는 자기장 변화에 준비되어 원자의 앙상블로 빛을 흡수하는 것입니다. 이 그라데이션의 반전은 원자 편광 rephasing 및 저장 광학 상태에 따라서 리콜로 연결됩니다. WE 우리 원자이 그라데이션을 제조 방법을 간략하게 설명하고 또한 광 이득을 야기 할 수있는 특정의 4 광파 혼합에 피해야 할 함정의 일부를 설명한다.
양자 정보 기술에 직면 뛰어난 과제 중 하나는 양자 상태의 메모리를 구축 할 수있는 능력이다. 포토닉스 양자 컴퓨팅 하나 또는 양자 키 분배 시스템 (2)에 사용되는 퀀텀 중계기 들어,이 광 (3)의 양자 상태를 저장할 수있는 메모리를 구축하는 것을 의미한다. 이 목표를 향해 촬영 한 방법 중 하나는 제어 가능하게 약간 나중에 광을 방출하고 저장하는 방식으로 제어 될 수있는 원자의 앙상블을 사용하는 것이다. 수많은 기술이 전자 기적으로 유도 된 투명도 (EIT) 04 원자 주파수 빗 (AFC) 5, 6, 7, 4 광파 혼합 (FWM) 08 라만 흡수 9, 패러데이의 상호 작용 (10) 및 광자 에코 기술 (11, 12) 등이 개발되었다 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
이 논문의 초점은 Λ입니다 – 세 가지를 사용하여 작동 그라데이션 에코 메모리 (Λ-GEM)수준 'Λ'구조화 된 원자 미디어. 그것은 처음 2008 20에 따뜻한 RB 증기 셀에 구현되었습니다. 이 방식은 광 펄스를위한 랜덤 액세스 메모리, 21로 사용되고 있습니다,, 87 % 22의 높은 입증 효율이 양자 상태 (23)의 무소음 스토리지를 제공하고, 비선형 광학 작업 (24)을위한 플랫폼으로 어떤 약속을 보여줍니다. 우리는 또한 최근에 따뜻한 원자 증기 (25)이 메모리의 상호 작용에 대한 몇 가지 세부 사항으로가는 논문을 발표했다.
기술의 본질은 우리가 원자 광의 펄스를 흡수되도록 비균질 넓어진 원자의 앙상블을 준비한다는 것이다. 도 1a에 도시 된 바와 같이 우리의 실험에서는 우리는 라만 흡수를 사용한다. 저장되는 프로브 광은, 원자이 접지 상태 간의 간섭에 매핑 될 것이다. 퍼짐은 자기장 gradien을 적용하여 제공된다광 전파의 방향을 따라서 t,도 1b에 도시 된 바와 같이, 라만 흡수 주파수의 공간적 기울기를 유도. 저장된 펄스의 다양한 주파수 성분 따라서 선형 원자 앙상블의 길이를 따라 서로 다른 공간 위치에 매핑된다. 즉, 입력 펄스의 흡수에 의해 생성되는 원자 스핀파의 공간적 프로파일은 입력 펄스의 시간 프로파일의 푸리에 변환에 비례한다. 나중에 개요 것 같이, 이는 또한이 메모리의 흥미로운 스펙트럼 프로세싱 기능 중 일부를 가능하게하는이 주파수 구배이다. 필드 그라데이션을 반전으로, 원자 앙상블의 일관성의 진화는 시간이 반전 될 수있다. 이는 빛의 펄스의 검색을 허용한다.
높은 메모리 효율을위한 필요 조건은 높은 외경 [30]입니다. Λ-GEM의 OD는 Ω_c이 결합 자계 라비 주파수이고, Δ가 여기 상태로부터 라만 이조 인 라만 계수 Ω_c 2 / Δ 2에 비례한다. 자발 라만 산란 비율은 라만 계수에 비례하고, 따라서있어 절충 높은 흡수 및 낮은 산란 손실을 달성 간의.는 우리는 반복적 인 프로세스를 사용하여 제어 필드 전력, 디 튜닝 및 가스 온도에 대한 최적의 설정을 찾을 수 있습니다. 펄스가 완전히 흡수 된 후 산란 손실은 저장 중에 제어 된 빔을 스위치 오프에 의해 다소 완화 될 수있다. 광학 두께는 원자의 내부 상태에 의해 영향을 받는다. 이상적으로는 프로브의 흡수를 증가시키기 위해 F = 1 초 미세 수준에서 가능한 많은 원자를 갖고 싶다. 그것은에 = 2 F에서 원자를 펌프 작용으로 제어 빔도 여기에 중요한 역할을F 1 수준 =. 이는 디 튜닝에 매우 효율적 아니지만 제어 빔 파워풀 펄스 저장 실험 간의 장기간에 남아있을 수있다. 우리의 실험에서 라만 선의 폭은 주로 제어 필드로 인한 전력 넓히는 결과 100 kHz의 주위이다. 이것은 거의 원자는 F = 1 초 미세 상태 = 2 F로부터 펌핑되는 속도에 대응한다. 그러나 일부 인구로 인해 허용 광 전환의 부족 = 2 초 미세 수준의 F (원형 편광의 기호에 따라 또는 -2) MF = 2에 남아있을 것입니다.
OD는 가스상 원자의 개수를 결정하는 셀의 온도에 크게 의존 할 것이다. 우리가 셀의 중심에서 측정 한 주변의 78 ° C의 온도를 사용한다. 우리는 우리의 셀에, 제어 필드의 일부 흡수뿐만 아니라 일의 어떤 간섭 흡수 될 수있는 85 °의 C 이상으로 온도가 증가 것으로 나타났습니다전자 프로브 신호. 히터는 세포 내부의 자기장을 방해하지 않도록 실험 실행 중에 꺼집니다.
두 프로브 및 제어 필드의 편광도 메모리의 흡수 효율에 중요한 역할을한다. 87Rb의 D1 전이 선은 8 제만 준위의 총 두 개의 초 미세 흥분 상태가 있습니다. 원칙적으로, 프로브 및 제어 필드 모두에 대해 동일한 원형 편광들의 선택은 그들이 단지 = 2 여기 상태 레벨 MF (또는 -1), F '= 2와 상호 작용하는 것을 보장한다. 레이저 분야의 선형 또는 타원형 편광은 F = 1의 다른 제만 준위 '(2)를 통해 라만 커플 링을 야기. 이는 서로 다른 커플 링 상수 및 각종 천이 AC 탁 교대로, 라만 라인 형상 넓히고 비대칭 초래할 것이다. 불행하게도, 메모리 전에 준비 동일하게 원형 편광 프로브 및 제어 분야는 서로 다른 편광 자체 R을 체험 할 수otations가 메모리를 통해 전파로. 이 효과는 더 우리가 우리의 실험이 높은 OD 미디어에서 발음됩니다. 이것은 프로브 제어 빔 편광의 미세 조정이 자전의 영향을 상쇄하기 위해 필요하다는 것을 의미한다.
큰 OD (25)와 함께 작업 할 때 문제를 더욱 복잡하게, 타락한 4 광파 혼합 (FWM) 과정은 종종 볼 수 있습니다. 이것은 증폭을 야기하고, 결과적으로 메모리의 출력 상태에 잡음을 도입 할 수있다. 직선 편광을 제어 및 프로브 빔 모두에 사용되는 경우 특히, FWM 효과가 크게 인해 체류 여기 상태를 통해 라만 여진을 향상시킬 수있다. FWM 프로세스 향상이나 시스템 억제하거나하는 조건은 참조 번호 25에 나타내었다. FWM의 영향에 의해, 다시, 프로브 제어 빔의 편광을 미세 조정 완화 될 수있다. 이러한 방식으로, FWM 프로세스는 그들이 지점으로 저감 할 수있다리콜 빛 (23)에 노이즈를 추가하지. FWM에 관하여, 그것은 모두 캐비티 달리 FWM 프로세스를 시드 것이다 섬유 EOM 생성 -6.8 GHz의 측 파대를 억제하는데 중요한 역할을한다는 것을 주목할 가치가있다.
자전과 FWM 모두 확대 라만 라인의 형상에 영향을 미친다. 도 5에 도시 된 바와 같이 미세 조정 한 후, 하나는 상당히 대칭, 대략 직사각형 모양의 흡수 기능을 달성 할 수있다. 이 편광은 FWM의 영향을 설명하기 위해 선택되었다도 7에 도시 된 경우와 대조. 여기에 라만 기능은 매우 비대칭이다.
앞서 언급 한 바와 같이, 천연 풍요 RB 셀은 제어 된 빔을 필터링하고 검출부에 프로브 빔을 전달하는 데 사용 하였다. 이 때문에 전지의 고온으로, 우리는 셀룰라 윈도우 주변의 공기 흐름을 다시, 헤테로 다인 검출 프린지 가시성에 변동을 일으킬 것으로 나타신호의 변동에 sulting. 이 효과는 즉시 여과 셀 후에 헤테로 다인 검출을 구현하고 적절한 오븐 디자인을 사용하여 셀 윈도우 주변의 공기 흐름을 감소시킴으로써 최소화되었다. 우리는 빠르게 윈도우에서의 프레 넬 반사 및 상기 여과 셀에서 87 RB 원자에 의해 흡수, 필터링 셀을 통해 30 % 정도의 프로브 손실을 관찰했다. 이 손실은 잠재적 셀 창에 반사 방지 코팅을 사용하여, 순수 85 RB 대신 RB의 천연 혼합물을 사용함으로써 감소 될 수있다.
따뜻한 증기 셀에서 확산이 축적 시간에 대부분의 한계이다. 빛을 흡수 한 후, 원자 따라서 부분적으로 저장된 정보를 삭제, 일관된 지역 바깥으로 확산 될 수 있습니다. (우리의 실험에서 0.5 토르 Kr을) 버퍼 가스를 추가하면 어느 정도 확산의 효과를 감소시킨다. 너무 많은 버퍼 가스는, 그러나, 31을 확대 충돌하는 작은 증가 할 것이다. 이 12 증가상기 펌프의 효율을 감소 oherence 및 제어 필드 흡수. 횡 방향 확산의 영향을 감소시키는 또 다른 방법은 프로브 및 제어 필드의 횡 단면도를 확대하여 상호 작용 부피를 증가시키는 것이다. 이 접근법은 결국 셀 벽과 비탄성 충돌에 의해 제한 될 것이다. 이 경우에, 셀 벽은 탄성 벽에 충돌을 제공하므로 원자 히어 런스 시간 바로, antirelaxation 재료 (32, 33)으로 코팅 될 수있다. 적절한 벽 코팅을 사용하고, 거의 셀의 단면을 덮도록 상기 레이저 빔의 크기를 증가 벽 비탄성 충돌을 최소화하여, 하나는 저장 시간에 횡 방향 확산로부터 최소 효과를 누릴. 종의 확산은 긴 저장 시간에 지배적 인 결 어긋남 효과가 있습니다. 종 방향 확산 원자가 감소 reph 초래할 수 축적 시간 동안 서로 다른 자기장 강도를 경험하는 원인asing 효율. 종 방향의 확산을 제어하는 한 가지 방법은 광 자기 트랩 (MOT)에서 냉각 된 원자와 같은 차가운 원자 앙상블을 사용하는 것이다. 즉, 그러나 차가운 원자 구름을 제어에 관련된 실험 복잡성의 새로운 층을 필요로한다. 이것은 우리가 현재 우리 연구실 (36)에 평가하는 시스템입니다.
The authors have nothing to disclose.
연구는 양자 계산을위한 우수의 호주 연구위원회 센터 및 통신 기술, 프로젝트 번호 CE110001027에 의해 지원됩니다.
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 |