Gradyan eko bellek atom toplulukları ışığın optik kuantum durumlarını saklamak için bir protokoldür. Kuantum bellek kuantum anahtar dağıtımı aralığını uzatabilirsiniz bir kuantum tekrarlayıcı önemli bir unsurdur. 3-seviyeli atom topluluğu uygulanan zaman biz şemasının çalışmasını özetlemektedir.
Gradient eko bellek (GEM) atom toplulukları ışığın optik kuantum durumlarını saklamak için bir protokoldür. Böyle bir teknoloji için temel motivasyon şifreleme anahtarlarının güvenliğini garanti etmek Heisenberg belirsizlik kullanan kuantum anahtar dağıtımı (QKD), iletim mesafesi sınırlı olmasıdır. Bir kuantum tekrarlayıcı gelişimi QKD aralığını genişletmek için bir yoldur, ama bir tekrarlayıcı bir kuantum bellek gerekir. Deneylerimizde sıcak gaz hücresinde bulunan rubidyum 87 buharının bir gaz kullanılmaktadır. Bu program özellikle kolaylaştırır. Ayrıca bu frekans kayması ve bant genişliği manipülasyon gibi saklanan devletin bellek arıtma, sağlayan çok yönlü bir projedir. GEM protokolünün temeli, bir manyetik alan gradyanı içinde hazırlanmıştır atomlu bir topluluk içine ışık absorbe etmektir. Bu degrade ters atom kutuplaşma takvime bağlanması ve saklanan optik devletin böylece hatırlama yol açar. We biz atomları ve bu degrade hazırlamak nasıl anahat ve ayrıca optik kazanca sebebiyet verebilir, özellikle dört-dalga karıştırma, kaçınılması gereken tuzaklar bazı anlatacağız.
Kuantum bilgi teknolojisi karşılaştığı önemli sorunlardan biri, kuantum devletler için bir bellek oluşturmak için yeteneğidir. Fotonik kuantum bilgisayar, 1 ya da bir kuantum anahtar dağıtım sisteminde 2'de kullanılan bir kuantum tekrarlayıcı için, bu ışık 3 kuantum hallerini saklayabileceğiniz bir bellek inşa etmek demektir. Bu amaç doğrultusunda alınan yaklaşımlardan birisi daha sonra kontrollü bir şekilde daha sonraki bir zamanda ışık serbest depolamak ve üzere olan bir şekilde kontrol edilebilir atomlu topluluklar kullanmaktır. Çok sayıda teknikleri elektromanyetik neden saydamlık (EIT) 4, atom frekans tarak (AFC) 5, 6, 7, dört dalga karışımı (FWM) 8, Raman absorpsiyon 9, Faraday etkileşim 10 ve foton eko tekniği 11, 12 dahil olmak üzere geliştirilmiştir , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
Bu çalışmanın odak noktası Λ bir – üç kullanarak çalışır Gradient Echo Bellek (Λ-GEM),-Level 'Λ' yapılandırılmış atom medya. Başlangıçta 2008 yılında 20 sıcak Rb buhar hücresinde uygulanmıştır. Bu şema hafif darbeler için bir rasgele erişim belleği, 21 olarak kullanılmıştır,% 87 22 gibi yüksek bir göstermiştir verimliliğe sahip kuantum 23 gürültüsüz depolama sağlar ve doğrusal olmayan optik işlemleri 24 için bir platform olarak bazı söz gösterir. Biz de son zamanlarda sıcak atom buharı 25 ile bu belleğin etkileşimi hakkında bazı ayrıntılı gider bir makale yayımlanmıştır.
Tekniğin özü, atomlar bir ışık darbe absorbe edecek ve böylece homojen bir biçimde genişletilir atomlu bir topluluk hazırlamak olmasıdır. Şekil 1a gösterildiği gibi bizim deneyde, Raman emilimini kullanın. Depolanacak olan prob ışığı, iki atomlu toprak durumlar arasında uyum üzerine eşlenir. Genişletilmesi, bir manyetik alan gradien uygulanarak sağlanmaktadıroptik yayılma yönü boyunca t, Şekil 1b'de gösterildiği gibi, Raman absorpsiyon frekanslarda bir uzamsal gradyanının uyarıcı. Depolanan darbesinin farklı frekans bileşenleri bu nedenle doğrusal atomik topluluk uzunluğu boyunca farklı mekansal konumlarda eşleştirilir. Diğer bir deyişle, giriş darbe emilimi tarafından oluşturulan sıkma dalganın atomik uzaysal profile giriş darbesinin zamansal profili Fourier dönüşüm ile orantılıdır. Daha sonra açıklayacağım gibi, aynı zamanda bu bellek ilginç spektral işleme yetenekleri bazı sağlayan bu frekans degrade olduğunu. Alan gradyanı tersine çevirerek, atomik topluluk tutarlılık evrim zaman ters olabilir. Bu, ışık palsının alınması için izin verir.
Yüksek bellek verimlilik için gerekli bir koşul, bir yüksek OD [30]. Λ-GEM OD Ω_c birleştirme alanı Rabi frekansı ve Δ uyarılmış durum arasındaki Raman detuning olan Raman faktör Ω_c 2 / Δ 2, orantılıdır. Spontan Raman saçılma oranı da Raman faktörü ile orantılıdır ve bu nedenle orada bir trade-off yüksek emme ve düşük saçılma kayıpları elde arasında. Biz tekrarlanan bir süreç kullanmak kontrol alanı güç, detuning ve gaz sıcaklığı için en uygun ayarları bulmak için. Puls tamamen emilir sonra saçılma kayıpları, depolama sırasında kontrol ışın kapatarak bir ölçüde hafifletilebilir. Optik derinliği de atomlarının iç durumu etkilenir. İdeal olarak, sondanın emilimini artırmak için F = 1 aşırı ince seviyesi mümkün olduğu kadar çok atomuna sahip istiyorum. Bu kadar = 2 F atomları pompa görür gibi kontrol kiriş de burada rol oynarF 1 = düzeylerini. Bu, detuning için çok verimli değildir, ancak kontrol ışın güçlü ve darbe depolama deneyler arasında uzun süreler boyunca üzerinde bırakılabilir. Bizim deneyde Raman hattının genişliği daha çok kontrol alanı ile neden olunan enerji genişletilmesi bir sonucudur 100 kHz, civarındadır. Bu, hemen hemen atomu F = 1 aşırı ince durumuna = 2 F pompalandığı de hızına karşılık gelir. Ancak bazı nüfus nedeniyle izin optik geçişler eksikliği = 2 hiperfin seviyesi F (dairesel polarizasyon işareti bağlı veya -2) MF = 2 sol olacaktır.
OD da gaz fazında atomu sayısını belirler hücrenin, sıcaklık kuvvetle bağlıdır. Bu hücrenin merkezinde ölçülen yaklaşık 78 ° C'lik bir sıcaklığa, kullanın. Biz hücrede, kontrol alanının bir emme yanı sıra Th bazı tutarsız emme neden olabilir, 85 ° C'de ötesinde artan sıcaklık farke prob sinyali. Isıtıcı hücre içindeki manyetik alan rahatsız etmemek için deney işlemi esnasında kapatılır.
Her iki prob ve kontrol alanları polarizasyonları da belleğin emme veriminde önemli bir rol oynamaktadır. 87Rb D1 geçiş hattı 8 Zeeman sublevels toplam iki aşırı ince heyecanlı durumu vardır. Prensip olarak, prob ve kontrol alanları hem de aynı dairesel polarizasyonlarının seçimi sadece = 2 uyarılmış durum seviyesi MF (ya da-2), K '= 2 ile etkileşim sağlar. Lazer alanların doğrusal ya da eliptik polarizasyonlar = 1 F diğer Zeeman sublevels ', 2 ile Raman bağlantı oluştururlar. Bu durum, farklı birleştirme sabitleri ve çeşitli geçişler ac Stark değişmelerine, Raman hat şeklindeki genişletilmesi ve asimetri neden olur. Ne yazık ki, anısı önünde hazırlanan aynı dairesel polarize prob ve kontrol alanları, farklı polarizasyon kendini r yaşayabilirsinizotations onlar bellek yoluyla yaymak gibi. Bu etki daha bizim deneyde sahip yüksek OD medya, telaffuz edilir. Bu sonda kiriş ve kontrol polarizasyon ince ayar kendini dönme etkisini ortadan kaldırmak için gerekli olduğu anlamına gelir.
Büyük OD 25 ile çalışırken daha da karmaşıklaştıran, bir dejenere dört dalga karışımı (FWM) işlem bazen görülebilir. Bu amplifikasyon neden olur ve sonuç olarak belleğin çıkış durumuna paraziti üretebilir. Doğrusal polarizasyon kontrol ve hem de sonda kiriş için kullanıldığı zaman, özellikle de, FWM etkisi büyük ölçüde, birden çok uyarılmış yoluyla Raman uyarım geliştirilebilir. FWM işlemi daha fazla veya sisteminde bastırılır ya da altında koşullar Ref 25 'de özetlenmiştir. FWM etkisi ile, yine, prob ve kontrol kirişlerin kutuplaşma ince ayar hafifletilebilir. Bu şekilde, FWM işlemler yapmaları noktaya düşürülebilirhatırladı ışık 23'e gürültü eklemeyin. FWM ile ilgili olarak, hem boşluklar aksi FWM sürecini tohum olur Fiber-EOM tarafından oluşturulan -6.8 GHz yan bandı bastırılmasında önemli bir rol oynadığı fazlalaştı.
Kendi kendine rotasyon ve FWM ikisi de genişletilmiştir Raman hattının şeklini etkiler. Şekil 5'te gösterildiği gibi, ince ayar sonra, bir oldukça simetrik, kabaca dikdörtgen şekilli emme özelliği elde edilebilir. Bu polarizasyonlar FWM etkisini göstermek için seçilen, Şekil 7'de gösterilen durumda ile tezat teşkil etmektedir. İşte Raman özellik son derece asimetrik olduğunu.
Daha önce belirtildiği gibi, doğal bir bolluk Rb hücre kontrol ışın filtre ve algılama bölümüne sonda kiriş geçmek için kullanılmıştır. Bu nedenle hücrenin, yüksek sıcaklığa, biz hücre pencerelerin etrafındaki hava akımları yeniden heterodyne algılama saçak görünürlüğünü varyasyonu neden farkSinyalin dalgalanmalar danışmanlık. Bu etki hemen filtreleme hücreden sonra heterodyne algılama uygulanması ve uygun fırın tasarımı kullanılarak hücre pencereleri etrafında hava akımlarını azaltarak minimize edilmiştir. Biz nedeniyle pencerelerden Fresnel yansımaları ve filtreleme hücresine 87 Rb atomu ile emme için, filtre hücre yoluyla% 30 civarında bir sonda kaybı gözlendi. Bu kayıp, potansiyel hücre pencerelerde yansıma önleyici kaplamalar kullanılarak ve saf 85 Rb yerine Rb doğal bir karışımı kullanılarak azaltılabilir.
Sıcak buhar hücresinde, difüzyon depolama süresi için ana sınırlamaları biridir. Işık emici sonra, atomlar böylece kısmen depolanan bilgileri silme, tutarlı bölge dışına yayılabilir. (Bizim deneyde 0.5 Torr Kr,) bir tampon gaz ekleyerek bir ölçüde difüzyon etkisini azaltır. Çok fazla tampon gaz, ancak, 31 Genişletici çarpışma artacaktır. Bu Aralık artırıryukarıda bahsedilen pompalama verimliliğini azaltır oherence ve kumanda alanı emme. Enine difüzyonu etkisini azaltmak için başka bir yol, prob ve kontrol alanları enine profilleri genişleterek etkileşim hacminin artırılmasıdır. Bu yaklaşım, sonuçta hücre duvarları ile esnek olmayan çarpışma ile sınırlı olacaktır. Bu durumda, hücre duvarları duvarlarda elastik çarpışmalar sağlar ve bu nedenle, atom uygunluk süresini uzatmak için, antirelaxation malzeme 32, 33 ile kaplanabilir. Uygun duvar kaplamalar kullanılarak ve hemen hemen hücre kesite karşılamak için, lazer ışını boyutunu artırmak elastik olmayan duvar çarpışma en aza indirerek, bir depolama zamanında enine difüzyon minimal etki beklenebilir. Boyuna difüzyon sonra uzun depolama sürelerinde baskın veeşevresizlik etkisi hale gelebilir. Uzunlamasına difüzyon atomları azaltılmış reph neden olabilir depolama süresi boyunca farklı manyetik alan güçlerine yaşamaya neden olurasing verimlilik. Uzunlamasına difüzyon kontrolü için bir yolu, örneğin, bir manyeto-optik Trap (Muayene) içinde soğutuldu edilmiş atomu gibi soğuk bir atomik topluluk, kullanmak olacaktır. Ancak bu durum, soğuk atom bulut kontrolünde yer alan deney karmaşıklık yepyeni bir katı daha gerektirir. Bu, şu anda laboratuvarda 36 değerlendiren bir sistemdir.
The authors have nothing to disclose.
Araştırma Kuantum Hesaplama Mükemmellik Avustralya Araştırma Konseyi Merkezi ve İletişim Teknolojileri, proje numarası CE110001027 tarafından desteklenmektedir.
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 |