Эхо памяти градиент является протоколом для хранения оптических квантовых состояний света в атомных ансамблей. Квантовая память является ключевым элементом квантового повторителя, который может расширить диапазон квантового распределения ключей. Мы общих чертах работу схемы при реализации в ансамбля атомов 3 уровня.
Градиент эхо памяти (GEM) представляет собой протокол для хранения оптических квантовых состояний света в атомных ансамблей. Основной мотивацией для такой технологии является то, что квантовая распределение ключей (QKD), которая использует неопределенности Гейзенберга, чтобы гарантировать безопасность криптографических ключей, ограничен в дальности передачи. Развитие квантового повторителя является возможным путь расширить диапазон QKD, но повторитель понадобится квантовой памяти. В наших экспериментах мы используем газ рубидия 87 пара, который содержится в теплом газовую ячейку. Это делает схему особенно просто. Это также универсальный схема, которая позволяет в памяти уточнение сохраненного состояния, такие как изменения частоты и манипуляции полосы пропускания. Основой протокола GEM является поглощать свет в ансамбля атомов, которая была подготовлена в градиентом магнитного поля. Разворот этого градиента приводит к рефазирования атомной поляризации и, таким образом отзыве хранимой оптического состояния. Wе будут определены, как мы готовимся атомы и этот градиент, а также описать некоторые из ловушек, которые необходимо избегать, в частности ЧВ, которые могут привести к оптического усиления.
Одним из выдающихся проблем, стоящих перед квантовой информационной технологии является возможность построить памяти для квантовых состояний. Для фотонного квантовых вычислений 1, или квантового повторителя, используемого в квантовой ключевой системы распределения 2, это означает, строительство память, которая может хранить квантовые состояния света 3. Один из подходов к достижению этой цели является использование ансамбли атомов, которыми можно управлять таким образом, чтобы сохранить, а затем контролируемо выпустить свет через некоторое время. Многочисленные методы были разработаны в том числе электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) 4, атомный частотная гребенка (АФК) 5, 6, 7, четырех-волнового смешения (ЧВС) 8, комбинационное поглощения 9, Фарадей взаимодействия 10 и фотонного эха методы 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
В центре внимания этой работы является Λ – Градиент Эхо памяти (Λ-GEM), который работает с помощью трехСтруктурированные атомные СМИ первого уровня 'Λ'. Первоначально она была реализована в теплом Rb клетке пара в 2008 году 20. Эта схема была использована в качестве оперативной памяти для световых импульсов, 21, имеет продемонстрировали эффективность так высоко, как 87% 22, обеспечивает бесшумную хранение квантовых состояний 23 и подает некоторые надежды в качестве платформы для нелинейных оптических операций 24. Мы также недавно опубликовал статью, которая входит в некоторых деталях о взаимодействии этой памяти с теплой атомного пара 25.
Суть метода в том, что мы готовим ансамбль атомов, которая неоднородноуширенных так, что атомы поглощают импульс света. В нашем эксперименте мы используем всасывание комбинационного, как показано на рисунке 1а. Зонд свет, который должен быть сохранен, будет отображена на когерентность между двумя основными состояниями атомов. Расширение обеспечивается путем применения магнитного поля gradienт вдоль направления оптической распространения, вызывая пространственный градиент в частот поглощения комбинационного рассеяния, как показано на рисунке 1b. Различные частотные составляющие хранимой импульса, таким образом, отображается в различных пространственных мест линейно вдоль длины атомного ансамбля. Другими словами, пространственный профиль атомной спиновой волны, которая генерируется за счет поглощения входного импульса пропорциональна преобразования Фурье временного профиля входного импульса. Как мы обрисуем позже, именно этот градиент частоты, что также позволяет некоторые из интересных спектральных технологических возможностей этой памяти. По вспять градиента поля, эволюция когерентности атомного ансамбля может занять много времени вспять. Это дает возможность поиска импульса света.
Необходимым условием высокой эффективности памяти является высокая ОП [30]. ОП Λ-GEM пропорциональна фактора комбинационного Ω_c 2 / Δ 2, где Ω_c является муфта поле частота Раби и Δ является отстройка комбинационного из возбужденного состояния. Скорость спонтанного комбинационного рассеяния также пропорционально коэффициенту комбинационного и поэтому существует компромисс между достижения высокой поглощение и низкие потери на рассеяние. Чтобы найти оптимальные настройки для мощности, отстройки и газа температуры управляющего поля мы используем итерационный процесс. Потери рассеяния могут быть смягчены в некоторой степени, отключив управления луч во время хранения, после импульса полностью поглощается. Оптический глубина также зависит от внутреннего состояния атомов. В идеале мы хотели бы иметь столько атомов, как это возможно на уровне F = 1 сверхтонкой чтобы увеличить поглощение зонда. Контроль луч также играет роль здесь, как он действует, чтобы накачать атомы из F = 2, чтобыF = 1 уровень. Это не очень эффективно, в связи с отстройкой, но контроль луч является мощным и может быть оставлен в течение длительных периодов времени между экспериментами хранения импульса. Ширина линии КР в нашем эксперименте составляет около 100 кГц, что является в основном результатом питания уширения, вызванного области управления. Это почти соответствует скорости, с которой атомы перекачиваемой из F = 2 в состояние F = 1 сверхтонкого. Однако там будут какие-то население осталось на MF = 2 (или -2 в зависимости от знака циркулярной поляризации) от уровня сверхтонкой F = 2 из-за отсутствия разрешенных оптических переходов.
ОП также сильно зависят от температуры ячейки, которая определяет число атомов в газовой фазе. Мы используем температуру около 78 ° С, измеренную в центре ячейки. Мы заметили, что в нашей камере, повышение температуры сверх 85 ° С может привести к некоторому поглощения поля управления, а также некоторые некогерентного поглощения гоСигнал е зонд. Нагреватель выключен во время экспериментального пробега, чтобы избежать нарушения магнитного поля внутри клетки.
Поляризация обоих зондов и контрольных полей также играют важную роль в эффективности поглощения памяти. D1 линия перехода из 87Rb имеет два сверхтонких возбужденных состояний с в общей сложности 8 зеемановскими подуровнями. В принципе, выбор одинаковых круговых поляризаций как для зонда и полей управления гарантирует, что они только взаимодействуют с возбужденного уровня государственной MF = 2 (или -2), F '= 2. Линейные или эллиптические поляризации лазерных полей порождают комбинационного связи через других подуровней зеемановских F '= 1, 2. Это приведет к уширению и асимметрии в форме линии комбинационного, в связи с различными константами связи и Штарка сдвигов различных переходов. К сожалению, одинаково круговой поляризацией зонд и контроля поля, подготовленные перед памятью могут испытать различные поляризации собственного гotations как они распространяются через память. Этот эффект более выражен в высоких OD СМИ, которые мы имеем в нашем эксперименте. Это означает, что тонкая настройка зонда и управления поляризации пучка необходима для противодействия влияния собственного вращения.
Чтобы еще более усложнить положение, дегенерат четьрехволновые (ЧВС) процесс иногда можно увидеть при работе с большим ОД 25. Это может вызвать усиление и, следовательно, вносить шум в выходном состоянии памяти. В частности, при линейной поляризации используется как для контроля и зондовых балок, ЧВС эффект может быть значительно повышена за счет возбуждения комбинационного через несколько возбужденных состояний. Условия, при которых процесс ЧВС либо усиленного или подавленного в нашей системе сведены в работе 25. Воздействие ЧВС могут быть смягчены, опять же, тонкой настройки поляризацию зонда и контроля пучков. Таким образом, FWM процессы можно свести к тому, что они делаютне добавить шум к напомнил света 23. В отношении ЧВС, стоит отметить, что оба полости играют важную роль в подавлении ГГц боковую полосу -6,8 порожденную волоконно-МНВ, которые иначе семя процесс ЧВВ.
Оба самовращение и ЧВС влияет на форму уширенного линии КР. После точной настройки, можно добиться совершенно симметричный, примерно прямоугольную функцию профилированного поглощения, как показано на рисунке 5. Это контрастирует со случаем, показанным на фиг.7, где поляризации были выбраны, чтобы продемонстрировать воздействие FWM. Здесь функция комбинационного очень асимметричным.
Как упоминалось ранее, природное содержание Rb клеток используется для фильтрации светораспределение и передавать зондирующего пучка в секцию обнаружения. Из-за высокой температуры этой клетки, мы заметили, что воздушные потоки вокруг клетки окон вызвать изменение в интерференционных полос в гетеродинного детектирования, повторноконсалтинговые в флуктуаций сигнала. Этот эффект был минимизирован за счет реализации гетеродинным сразу после фильтрации клетки и уменьшения токов воздух вокруг клеточных окон с помощью соответствующего печь дизайн. Мы наблюдали потерю зонда около 30% через фильтрующую ячейку, из-за отражений Френеля из окон и с поглощением атомов 87 Rb в фильтрации клетки. Эта потеря может потенциально быть снижена с помощью просветляющих покрытий на клеточных окон и с использованием чистого 85 Rb вместо природной смеси Rb.
В теплой камере паров, диффузия является одним из главных ограничений на время хранения. После поглощать свет, атомы могут диффундировать из когерентной области, тем самым частично стереть сохраненную информацию. Добавление буферного газа (0,5 Торр КР, в нашем эксперименте) уменьшает эффект диффузии в некоторой степени. Слишком много буферного газа, однако, приведет к увеличению ударного уширения 31. Это увеличивает декабряoherence и контроль поле поглощение, которое снижает эффективность накачки, упомянутых выше. Еще один способ уменьшить влияние поперечной диффузии является увеличить объем взаимодействия, расширяя его поперечные профили зонда и контрольных полей. Такой подход в конечном итоге будет ограничена неупругих столкновений с клеточных стенок. В этом случае клеточные стенки могут быть покрыты материалами антирелаксационным 32, 33, чтобы обеспечить упругих столкновений на стенках и, следовательно, повысить атомного времени когерентности. Путем минимизации неупругое стенка столкновения с помощью соответствующих покрытий стены и увеличение размера лазерного луча, чтобы покрыть почти поперечное сечение клеток, можно было бы ожидать минимальные эффекты от поперечной диффузии от времени хранения. Продольная диффузия может затем стать доминирующей явление декогеренции при длительных сроков хранения. Продольная диффузия вызывает атомы испытать свои сильные магнитное поле во время хранения, что может привести к снижению РЭПХЭффективность asing. Один из способов контролировать продольную диффузию было бы использовать холодный атомный ансамбль, например, атомов, которые были охлажденных в ловушку магнитооптических (MOT). Это, однако, требует целый новый слой экспериментальной сложности участвуют в контроле холодного атомного облака. Это система, которую мы в настоящее время оцениваем в нашей лаборатории 36.
The authors have nothing to disclose.
Исследование при поддержке Центра Австралийский исследовательский совет передового опыта для квантовых вычислений и коммуникационных технологий, количество проект 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%) |
||
Photodiodes | Hamamatsu | S3883 | |
Current Switches | Electronic Design and Research | EDR83915/2 and EDR8276612 |