Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Gradient Echo קוונטית זיכרון בחם אטומי החמקן

Published: November 11, 2013 doi: 10.3791/50552
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1ARC Centre for Quantum Computation and Communication Technology, Department of Quantum Science, The Australian National University

Summary

זיכרון הד השיפוע הוא פרוטוקול לאחסון מצבים קוונטיים אופטיים של אור בהרכבים אטומיים. זיכרון קוונטים הוא מרכיב מפתח של מהדר קוונטים, אשר יכול להאריך את הטווח של הפצת מפתח קוונטים. אנו מתארים את הפעולה של התכנית כאשר מיושמים בהרכב אטומי 3 ברמה.

Abstract

זיכרון הד שיפוע (GEM) הוא פרוטוקול לאחסון מצבים קוונטיים אופטיים של אור בהרכבים אטומיים. המניע העיקרי לטכנולוגיה כזו הוא שחלוקת קוונטי מפתח (QKD), אשר משתמשת באי ודאות של הייזנברג לדאוג לאבטחת מפתחות הצפנה, מוגבלת במרחק שידור. פיתוח מהדר קוונטים הוא נתיב אפשרי להארכת טווח QKD, אבל מהדר יצטרך זיכרון קוונטים. בניסויים שלנו אנו משתמשים בגז של אדי 87 רובידיום הכלול בתא גז חם. זה הופך את התכנית פשוטה במיוחד. כמו כן, תכנית מגוונת מאוד, המאפשרת עידון בזיכרון של המדינה המאוחסנת, כגון הסטת תדירות ומניפולציה ברוחב פס. הבסיס של פרוטוקול GEM הוא לקלוט את האור להרכב של האטומים שהוכן בשיפוע שדה מגנטי. ההיפוך של השיפוע הזה מוביל לrephasing של הקיטוב האטומי ובכך להיזכר של המדינה האופטית המאוחסנת. Wדואר מתאר איך אנחנו מכינים את האטומים והשיפוע הזה וגם מתאר חלק מהמכשולים שצריכים להימנע, בערבוב ארבעה גל מסוים, אשר יכול להצמיח רווח אופטי.

Introduction

אחד האתגרים הבולטים מול טכנולוגיית מידע קוונטים הוא היכולת לבנות זיכרון למצבים קוונטיים. עבור מחשוב פוטוניים קוונטי 1, או מהדר קוונטים המשמש במערכת הפצה מרכזית קוונטי 2, זה אומר בניית זיכרון שיכול לאחסן מצבים קוונטיים של אור 3. אחת הגישות נלקחו למען מטרה זו היא להשתמש בהרכבים של אטומים שניתן לשלוט באופן שלאחסון וכזה אז מבוקר לשחרר אור במועד מאוחר יותר. טכניקות רבות פותחו כוללים שקיפות מושרה אלקטרומגנטית (EIT) 4, מסרק התדר האטומי (AFC) 5, 6, 7, ערבוב של ארבעת גלים (FWM) 8, ראמאן קליטת 9, האינטראקציה פאראדיי 10 ופוטון טכניקות הד 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, ​​19.

המוקד של מאמר זה הוא Λ - זיכרון Gradient Echo (Λ-GEM), הפועל באמצעות שלושהתקשורת האטומית המובנה ברמה 'Λ'. תחילה יישם אותו בתא אדי Rb חם ב2008 20. תכנית זו נוצלה בעבר כזיכרון גישה אקראי להבזקי אור, 21, יש יעילות הפגינה גבוהה ככל 87% 22, מספק אחסון חרישי של מצבים קוונטיים 23 ומראה כמה הבטחה כפלטפורמה לפעילות אופטית קוי 24. יש לנו גם פרסמתי לאחרונה נייר כי נכנס קצת פירוט על האינטראקציה של הזיכרון הזה עם אדים אטומיים חמים 25.

מהותה של הטכניקה היא שאנו מכינים הרכב של האטומים שהרחיבו inhomogeneously כך שהאטומים יספגו דופק של אור. בניסוי שלנו אנו משתמשים בקליטת ראמאן, כפי שמוצג באיור 1 א. אור הבדיקה, שהוא צריך להיות מאוחסן, ימופה על קוהרנטיות בין שתי מדינות קרקע של אטומים. ההרחבה מסופקת על ידי יישום gradien שדה מגנטילא לאורך בכיוון של התפשטות אופטית, גרימת שיפוע מרחבית בתדרי קליטת ראמאן, כפי שמוצג באיור 1b. רכיבי התדר השונים של הדופק שאוחסנו כך ימופו למיקומים מרחביים שונים באופן ליניארי לאורך ההרכב האטומי. במילים אחרות, הפרופיל המרחבי של גל הספין האטומי שנוצר על ידי הספיגה של דופק הקלט הוא פרופורציונאלי להתמרה של הפרופיל הזמני של דופק הקלט. כפי שנתאר בהמשך, זה שיפוע תדר זה שמאפשר גם לחלק מיכולות עיבוד הרפאים המעניינים של זיכרון זה. על ידי היפוך שיפוע השדה, את האבולוציה של הלכידות של ההרכב האטומי יכולה להיות הפוך זמן. זה מאפשר שליפה של בזק האור.

Protocol

1. כמה אלמנטים מובנים מותאמת אישית

  1. תהודה טבעת

    בניסוי זה, שתי תהודה הטבעת שהתפצלה ולשלב קורות של תדרים שונים נדרשות. העיצוב של החלל הוא באיור. 2.
    1. לבנות את תהודה סביב גליל חלול של אלומיניום בתפזורת. בקצה אחד, הר שתי מראות שטוחות עם רפלקטיביות הזהה. בסופו של הדבר מול הר מראה קעורה רפלקטיביות מקסימלית. המראות לא צריכה להיות דבוקות לspacer החלל. עם עיבוד מדוקדק של spacer, הסוף הכמוס הם מספיק כדי להחזיק אותם במקום.
    2. מערבבים את המראה המעוגל עם מפעיל O-Ring ופיזואלקטריים כדי לאפשר שליטה על תדר התהודה החלל. הנח את O-Ring בין המראה וspacer החלל, עם piezo מאחורי המראה. לדחוס האלמנטים הללו על spacer החלל עם קצה הכובע כדי לאפשר actuation מהירה של המראה הסופי. השילוב של דחיסת O-Ringוpiezo במהירות גבוהה בדרך כלל לאפשר לרוחבי פס שליטה בעודף של 10 קילוהרץ.
      הערה: בדוגמה זו, מפרידי ארוכים על 25 סנטימטר. אורך זה הוא שרירותי, אם כי יש לבחור אותה כך שהשליטה ובדיקת האור אינה coresonant, מה שאומר שפיצול hyperfine לא חייב להיות מרובה של רפאי הטווח בחינם. בשל הגיאומטריה הטבעת, החלל יהיה מצבי קיטוב nondegenerate של עידון שונה. המראות מותאמות אישית מצופה צוינו לספק חלל של עידון כ -1,000 לאור s-מקוטב, מה שמוביל לעידון של כ 100 לאור p-מקוטב. בעוד ניסויים אלה מתבצעים בדרך כלל במצב הנמוך עידון, ההתקנה יכולה בקלות להיות עברה למצב גבוה עידון צריך להיות חובת סינון חזק יותר של הקורות.
  2. עיצוב של תא הזיכרון והדיור שלה
    1. כדי לבנות את מנגנון הזיכרון, השתמש תא ארוך המכיל משופר isotopically 87 Rb אלאונג עם 0.5 טור של גז חיץ Kr. בהגדרה, האורך הוא 20 סנטימטר. החלונות של התא הם antireflection מצופים. תא זה חייב להיות מחומם סביב 80 מעלות צלזיוס באמצעות חוט חימום לא מגנטי.
    2. לשים בארגז התא בשלושה solenoids קונצנטריים. שני solenoids הפנימי ליצור מעברים הדרגתיים שדה המגנטיים. רוח solenoids אלה, לבצע סימולציה באמצעות המשוואה ביו-Savart. לדמות סולנואיד משתנה המגרש שיספק שדה מגנטי באופן ליניארי שונה.
    3. באמצעות תכנית גרפים, להדפיס את עלילה של ספירלה זה על פיסת נייר. עוטף את הנייר סביב צינור PVC כדי לספק קו לעקוב ולסכם את החוט על הצינור.

      הערה: בהתקנה זו הסלילים ארוכים 50 סנטימטר, יותר מפי שתיים את אורכו של תא הדלק, כדי למנוע השפעות קצה. הקטרים ​​הם 6 ו10 סנטימטר, שזה פי שניים מהקוטר של התא, על מנת להבטיח את השדות המגנטיים הם בעיקר אורך. Solenoids השיפוע מתנגד אחד את השני כל כך thaמיתוג לא ביניהם יעבור את השלט של השיפוע (ראה איור. 3). בניסוי טיפוסי, 2-3 של זרם מופעל באמצעות סלילים אלה והסלילים מופעלים ב3-4 μsec.

    4. תנודות כדי לייעל את זמן המיתוג ולהפסיק להשתמש 200 נגדים דעיכת Ω בטור עם הסלילים. הנח שני solenoids אלה בתוך הסליל השלישי בדרך כלל בסופו, כי הוא משמש כדי לספק שדה מגנטי DC להרים את הניוון של רמות זימן. יש רובידיום משמרת של כ 1.4 MHz / G של שדה מגנטי 26. שדה DC טיפוסי הוא 6 G, בעוד שהשיפועים יהיו 2 ג / מ.
    5. מניחים שתי שכבות של מיגון μ מתכת סביב שלושה סלילים מגנטיים כדי לצמצם את השפעתו של השדה המגנטי של כדור הארץ בניסוי.

2. פריסה של הנתיב האופטי Beam

  1. השתמש בליזר מצב יחיד מכוון ליד קו רובידיום D 1 ב795 ננומטר. לפקח על התדרשל הלייזר באמצעות מדידת קליטה רוויה, כפי שמוצג באיור 3. Detune התדירות של כ 1.5 GHz מעל F = 2 עד F '= 2 מעבר. זה יהיה בתדירות המשוערת של אלומת השליטה.
  2. בBS2 beamsplitter, הקש קצת אור מהליזר העיקרי ליצירת קרן השליטה. שינוי התדר שלה על ידי השימוש בAOM1 מאפנן acousto אופטי. זה AOM גם מאפשר אפנון של כוח קרן שליטה. לנהוג AOM, להעביר את הפלט של מקור אות דרך מתג RF הנשלט על ידי אות TTL, ולאחר מכן להגביר את האות לפני שליחתו לAOM. לכוונן את תדר השליטה, כדי לייעל את ספיגת ראמאן למשל, על ידי שינוי בתדירות הכונן של AOM זה. תדירות כונן RF של AOMs בהתקנה היא 80 MHz, אבל זה שרירותי.
  3. Detune קרן הבדיקה, שתאוחסן בזיכרון הקוונטים, על ידי 6.8 GHz מקורה השליטה, תדר זה להיות פיצול מדינת קרקע hyperfine של87 Rb. כדי להכין בתדר זה, להעביר את הלייזר דרך מאפנן אלקטרו אופטי מצמידים סיבים כי הוא מונע על ידי מקור מיקרוגל 6.8 GHz. זה יוצר מערך של sidebands בהרמוניות של 6.8 GHz, מעל ומתחת לתדר גל הנושא.
  4. כדי להשיג קרן בדיקה עם תדר טהור, להפריד +6. 8 GHz אור מכל sidebands האפנון לא רצוי האחר. כדי לעשות זאת, השתמש באחד מחללי הטבעת. לנעול 1 חלל בתהודה עם +6. 8 פס צד GHz. תדר זה יהיה אז להיות מועבר באמצעות המהוד, ואילו כל התדרים האחרים באים לידי הביטוי, וכך הכין תדר טהור שיתייחס למדינת הקרקע F = 1 של אטומי רובידיום. החלל יכול להיות נעול באמצעות טכניקת הלירה-Drever-הול 27], תוך שימוש באור מוחזר מהמראה הקלט.
  5. הקש את חלק של קרן הלייזר בBS3 ולשלוח אותו באמצעות AOM2 כדי לאפשר בקרה טובה של התדירות ועוצמה של קרן הבדיקה. שםהם כמה שיטות זמינות לנהוג AOM. לדוגמא, השתמש במחולל אותות לתכנות להגדיר לייצר פולסים גאוס המווסת ב80 MHz. לחלופין, לשלב אות 80 MHz רציף עם דופק במיקסר RF לתת דופק מווסת ב80 MHz. כך או כך, גאוס המווסת זה אז מוגבר ונשלח לAOM לתת דופק של אור לתוך סדר diffracted של AOM.
    שים לב: על מנת diffracted זה יספק פולסים דק מבוקרים של אור שניתן לאחסן בזיכרון. המשרעת של קטניות יכולה להיות מכוונת באמצעות שילוב של כוח כונן AOM ושינוי יחס הפיצול של BS1. זה מאפשר ייצור אמין של מגוון רחב של אמפליטודות דופק, ובפרט, מאפשר הייצור של פולסים חלשים מאוד עם מספרי פוטון הממוצעים של פחות מ 1 23.
  6. השלב הבא הוא לשלב מחדש את הקורות בדיקה ובקרה. זה יכול להיעשות עם beamsplitter פשוט, אבל זה אומר לאבד חלק מן האור.אם הקיטוב של החללית והשליטה היה מאונך אז רקומבינציה lossless יכולה להיות מושגת באמצעות מפצל אלומה מקטב, אבל האחסון רק באמת יכול להיות מותאמת באמצעות שליטה עצמאית של קיטובי הבדיקה ובקרה.
    1. כדי להשיג זאת, יש להשתמש ביעילות גבוהה,, חלל טבעת שנייה, בהתאמה עכבה. הגדר את חלל כך שקרן הבדיקה מועברת דרך, ואילו בתחום השליטה משתקף ממראה הפלט. שידור של החללית באמצעות מהוד שני זה גם מספק שכבה שנייה של סינון תדר, מה שעוזר להימנע מבעיות עם ערבוב ארבעה גלים.
    2. לנעול חלל זה לתדר של קרן הבדיקה באמצעות קרן עזר נעילה (קו מקווקו) שמוזרקת למצב ההפוך של החלל. מנגינת קורה זה לתדר, קיטוב שונה ומצב המרחבי מקרן הבדיקה, כך שהוא עשוי להיות מזוהה על השתקפות מבלי להשפיע לרעה על קרן הבדיקה. הסיבה למאמץ הזה היא שהואהוא קשה להחריד לשימוש צריכת החשמל הנמוך, קרן הבדיקה פעם כדי לנעול את החלל. קורות הבקרה ובדיקתם collimated לפני תא הזיכרון עד 7 מ"מ ו -3 גדלי מ"מ, בהתאמה.
    3. כוח שדה השליטה לפני תא הזיכרון הוא ~ 270 mW ולחקור כוח עשוי להיבחר מאפס עד כמה microwatts בהתאם לטווח הניסוי. שימוש בצלחת רבע גל, להתאים את הקיטוב של קורות בדיקה ובקרה בשילוב להיות (כ) ומעגלי של אותו helicity. הזרק אותם למכשיר הסלולרי של גז זיכרון.
  7. לשלוט בעיתוי של כל האלמנטים של הניסוי באמצעות תכנית LabVIEW 28. מחזור עבודה טיפוסי יהיה 120 μsec. כבה את התנור כבוי בזמן אחסון זיכרון, כדי למנוע הפרעה לפעולת הזיכרון. רצף עיתוי טיפוסי מוצג באיור 4. במידת האפשר, כבה את קרן השליטה בזמן שהאור מאוחסן בזיכרון. בתא גזים חם, אם כי המעבר הדואר ראמאן הוא detuned מהמדינה מתרגשת מעבר לרוחב דופלר, שדה השליטה עדיין יכול להיות מקור משמעותי של חוסר רציפות בזיכרון בשל ההסתברות שאינה אפס של פיזור ראמאן הספונטני. פיזור ראמאן עומד ביחס ישר לכוח שדה השליטה והפוך לdetuning בריבוע. אם שדה השליטה נשמר בתקופת האחסון כולו, הוא יכול לקיים אינטראקציה עם שתי המדינות נמוכות ולהרוס את הלכידות עם קצב מעריכי שהוגדר על ידי הפיזור. זה מוסבר נוסף בסעיף הדיון.
  8. לאחר אחסון וזיכרון, להעביר את הבדיקה דרך תא סינון במטרה להפשיט את שדה השליטה מהקורה. אפשר להשתמש בתא בתערובת טבעית של Rb. 85 Rb שולט וסופג חזק בתדירות קורה שליטה, מתן 60 dB של דיכוי. קרן הבדיקה הוא נחלש הרבה פחות, בדרך כלל 1.4 dB. השתמש בתא מ"מ 75 ארוך, מחומם ל140 ° C.תא עם 85 Rb המשופר isotopically יביא לקליטת בדיקה פחות.
  9. השלב האחרון הוא זיהוי של פולסים הבדיקה, באמצעות מקלט ישיר או זיהוי אבוכי. יתרונה של שיטת זיהוי זה הוא שזה מצב סלקטיבית כל כך קצת אור שליטה שיורית לא ישפיע על המדידות. יש ההד (ליד) קיטוב מעגלי כי הוא עשה ליניארי באמצעות שילוב צלחת half-wave/quarter-wave.
    1. כדי לייצר את מתנד המקומי, הקש את חלק של הקרן בBS4 ושינוי התדר שלה באמצעות AOM4. אחסן את האות מהתקנת המקלט הישירה או אבוכי באמצעות אוסצילוסקופ מהיר, מופעלת תכנית בקרת LabVIEW.

Representative Results

1. באמצעות קליטת ראמאן ככלי אבחון

התוצאה הראשונה היא להשיג קליטת שורת ראמאן של אור קרן בדיקה. אופטימיזציה של תכונת ספיגה זה עוברת דרך ארוכה להשגת ביצועי הזיכרון הטובים ביותר. עם סלילי השיפוע המגנטיים כבויים, תדר השליטה ניתן לסרוק בנוכחותו של גל בדיקה רציף חלש. קליטתם של קרן הבדיקה קשורה באופן ישיר לצפיפות האופטית של התא האטום. בהתבסס על כך, הטמפרטורה של התא, כוחה של קרן השליטה וdetuning פוטון היחיד יכולה להיות מותאמת בתהליך איטרטיבי לתת קליטת ראמאן הטובה ביותר האפשרית. כוח שליטה קרן יותר מדי יגדיל את הקליטה, אלא גם להרחיב את הרוחב של הקו. כאשר אופטימיזציה, הרוחב הוא בסדר גודל של במערכת שלנו 100 קילוהרץ.

החלפה על אחד מסלילי השיפוע יהיה להרחיב את קו ראמאן. הרוחב של הקליטה הרחיבה להרתיעמכרות את רוחב הפס של הזיכרון. פשרה לאחר מכן צריכה להתבצע בין צפיפות אופטית, אשר משפיעה על יעילות זיכרון, ורוחב פס של זיכרון. העברת הבדיקה מוצגת לאחד מקווי ראמאן הרחיבו שלנו באיור 5, שבו רוחב הפס של הזיכרון מוגדר כ 1 מגהרץ.

ההחלפה משני סלילים המגנטיים השיפוע באותו הזמן, צריכה להיות התאוששה linewidth קליטת nonbroadened. כל חוסר התאמה בגודל הנוכחי או inhomogeneity מרחבי של השדות המגנטיים תשקף באופן ישיר על הרחבה ועיוות של קליטת ראמאן.

2. חפצים דופק

התצורה הפשוטה ביותר לזכרון אחסון דופק יחיד ואחזור. זה יהיה, למשל, אחסון פולסים של משך 2 μsec ומיתוג סלילי שיפוע המגנטי 3 μsec אחרי שיא הדופק, כפי שמוצג באיור 6. אם הצפיפות האופטית נמוכה, כמה leaka אורge יקויימו בהתאם לצפיפות האופטית (OD) של המדיום. כוונון בזהירות את הפרמטרים הזיכרון הוא חיוני להשגת יעילות אחסון גבוה. זה כולל אופטימיזציה של טמפרטורת תא זיכרון, היישור זהיר בין החללית ותחום הבקרה, כוונון עוצמת אלומת השליטה למצוא את הפשרה הטובה ביותר בין הקליטה ופיזור, על מנת להבטיח את הקיטוב הנכון של הקורות וכוונון התדרים של קורות בדיקה ובקרה. שיטת אופטימיזציה זו מוסברת נוספת בסעיף הדיון. ניתן לצפות יעילות העולה על 80% במשך זמן אחסון של 4 μsec 22 כאשר כל הפרמטרים הללו מכוונים היטב. היעילות של האחסון מוגדר כיחס בין האנרגיה של ההד נזכר והאנרגיה של דופק זהה שלא אוחסן בזיכרון. זה גורם ביעילות את ההשפעה של הפסדים ליניארי, למשל בשל השתקפויות פרנל על המשטחים או absorptיון בתא הסינון. בעת השימוש בזיהוי אבוכי, האנרגיה של פולסים נמדדת על ידי מתישב אות אבוכי ומדידת האזורים של המעטפות של הדופק.

התדר ורוחב הפס של הדופק לאחזר תלוי הנוכחי מוזרק לתוך סלילי השיפוע. מניפולציה פשוטה של ​​זרמים אלה מאפשרת לכוונון עדין של דופק לאחזר. מניפולציות מורכבות יותר של רוח רפאים (כגון אלה שתוארו ב29) ניתן לעשות זאת באמצעות התקנת סליל מתקדמת יותר שבו השיפוע לאורך הזיכרון יכול להיות מכוונת כפונקציה של מיקום וזמן באופן עצמאי.

איור 1
איור 1. א) ערכת הרמה בתוך הקו D 1 87 Rb בשימוש בזיכרון. אור החללית הוא ראמאן נספג ליצור הימור קוהרנטיות Ween F = 1 ו-F = 2 קרקע לאום. ב) שיפוע השדה המגנטי נותן detuning מרחבית התלוי של קרקע המדינות לאורכו של התא. היפוך הדרגתי והופך את קרן השליטה בנותנת חזרה של אור הבדיקה המאוחסנת. (מעובד מתוך [34]). לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 2
איור 2. סכמטי של שואב מצב אופטי. עיין בסעיף השיטות לתיאור. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

"Width =" ig3.jpg "/> 500px
איור 3. סכמטי של הגדרת ניסוי AOM = Acousto אופטי מודולטור;. שוטף = אלקטרו אופטי מודולטור; BS = beamsplitter; λ / 4 = צלחת רובע גל. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 4
איור 4. רצף טיפוסי עיתוי לזיכרון. (צילום מ35). לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 5
איור 5. heterodyned הטיפוסי הרחיב שורת ראמאן כאשר אחד הדואר סלילי שיפוע מגנטיים מופעלים. נתונים (הקו מוצק דק) נלקח באמצעות מדידת אבוכי. התנודה נובעת מהקצב בין אור הבדיקה ומתנד האור מקומי. העקומה המקווקו מראה את המעטפה של נתונים אלה שהוא הצורה של קו ראמאן התרחב. (שונה מ 25). לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 6
איור 6. הד טיפוסי ממוצעת יעילות GEM לזמן אחסון קצר. סלילי השיפוע המגנטיים מוחלפים ב t = 10 μsec (קו מקווקו). פרופיל עוצמת דופק קלט: אדום. כחול: תפוקת עוצמת הזיכרון, הוכחת דלפה אור (שהוא לכאורה בדופק הקלט האדום) ונזכרה הד, המופיעה בצד הימין של tהוא קו מקווקו. לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

איור 7
איור 7. ארבעה גל ערבוב תוקף, בעת סריקת קו ראמאן, לסמכויות שונות פקד שדה וטמפרטורות סלולריים. לנתון זה בלבד, הקיטובים של שדה הפקד וקורות בדיקה נבחרו כך שהם למקסם את האפקט. מחשב הוא כוח קרן שליטה. (שונה מ 25). לחץ כאן לצפייה בתמונה גדולה יותר.

Discussion

תנאי הכרחי ליעילות גבוהה זיכרון הוא OD גבוה [30]. OD של Λ-GEM הוא פרופורציונאלי לגורם ראמאן Ω_c 2 / Δ 2, שבו Ω_c הוא תדר רבי שדה הצימוד וΔ הוא detuning ראמאן מהמדינה מתרגשת. שיעור ראמאן הספונטני הפיזור הוא גם פרופורציונאלי לגורם ראמאן ולכן קיים תחלופה בין השגת גבוהה קליטה והפסדי פיזור נמוכים. כדי למצוא את ההגדרות אופטימליות לטמפרטורת הכוח, detuning וגז שדה שליטה אנו משתמשים בתהליך איטרטיבי. ניתן למתן את הפסדי הפיזור במידה מסוימות על ידי מעבר מקורה השליטה במהלך האחסון, אחרי הדופק נספג באופן מלא. עומק אופטי מושפע גם מהמצב הפנימי של אטומים. באופן אידיאלי היינו רוצה להיות אטומים רבים ככל האפשר ברמת hyperfine F = 1 כדי להגדיל את הקליטה של ​​החללית. קרן השליטה גם משחקת תפקיד כאן כפי שהוא משמש לשאיבת אטומים מF = 2 עדF = רמות 1. זה לא מאוד יעיל, בשל detuning, אבל קורה השליטה הוא חזק ויכול להיות שמאל על לתקופות ארוכות של זמן בין ניסויי אחסון הדופק. רוחבו של קו ראמאן בניסוי שלנו הוא בסביבות 100 קילוהרץ, שהוא בעיקר תוצאה של הרחבת כוח הנגרמת על ידי שדה הפקד. זה כמעט תואם את הקצב שבו האטומים נשאבים מF = 2 למדינת hyperfine F = 1. עם זאת יהיה כמה אוכלוסייה נותרת על mf = 2 (או -2 בהתאם לסימן של הקיטוב המעגלי) של רמת hyperfine F = 2 בשל חוסר מעברים אופטיים מותר.

OD גם יהיה תלוי במידה רבה בטמפרטורה של התא, הקובע את מספר האטומים בגז השלב. אנו משתמשים בטמפרטורה של כ 78 ° C, שנמדדה במרכזו של התא. שמנו לב כי בתא שלנו, להגדיל את הטמפרטורה מעבר 85 מעלות צלזיוס עלול לגרום לכמה קליטה של ​​שדה השליטה, כמו גם כמה קליטה מבולבלת של האות בדיקה דואר. התנור כבוי במהלך ניסיוני הארוך, כדי למנוע הפרעה לשדה המגנטי בתוך התא.

קיטובים של שני שדות הבדיקה ובקרה גם לשחק תפקיד מכריע ביעילות הספיגה של הזיכרון. קו מעבר D1 של 87Rb יש לו שני מצבים מעוררי hyperfine עם סך של 8 sublevels זימן. באופן עקרוני, הבחירה של קיטובים מעגליים זהים עבור שניהם את החללית ושדות הבקרה מבטיחה כי הם פועלים רק עם mf רמת המדינה מתרגשת = 2 (או -2), F '= 2. קיטובי יניארי או סגלגלים של שדות הלייזר להצמיח צימוד ראמאן באמצעות sublevels האחר זימן של F '= 1, 2. זה יגרום הרחבה ואסימטריה בצורת קו ראמאן, בשל קבועי צימוד השונים ומשמרות ac סטארק של המעברים השונים. למרבה הצער, שדות בדיקה ובקרה מקוטבות מעגליים זהה מוכנים לפני הזיכרון יכולים לחוות r עצמי קיטוב שונהotations כפי שהם להפיץ באמצעות הזיכרון. השפעה זו בולטת יותר בתקשורת OD הגבוהה, שיש לנו בניסוי שלנו. משמעות הדבר היא שיש צורך בכוונון העדין של קיטוב קרן בדיקה ובקרה כדי לנטרל את ההשפעה של סיבוב עצמי.

כדי לסבך את העניינים עוד יותר, לפעמים ניתן לראות תהליך ערבוב ארבעה גל מנוון (FWM) כאשר עובד עם OD הגדול 25. זה יכול לגרום להגברה וכתוצאה מכך להציג את הרעש למדינת התפוקה של הזיכרון. בפרט, כאשר קיטוב ליניארי משמש עבור שניהם את השליטה ואת הקורות בדיקה, השפעת FWM ניתן לשפר באופן משמעותי כתוצאה מעירור ראמאן דרך מדינות מתרגשים מרובות. התנאים שבם תהליך FWM הוא גם משופר או מודחק במערכת שלנו מסוכמים בRef 25. ההשפעה של FWM ניתן למתן על ידי, שוב, כיוון עדין את הקיטוב של קורות הבדיקה ובקרה. בדרך זו, ניתן להפחית בתהליכי FWM עד כדי כך שהם עושיםלא מוסיף רעש ל23 האור נזכרו. עם כל הכבוד לFWM, ראוי לציין כי שני החללים לשחק תפקיד חשוב בדיכוי פס צד GHz -6.8 שנוצר על ידי הסיבים שוטף שאחרת זרע תהליך FWM.

גם סיבוב עצמי וFWM להשפיע על הצורה של קו ראמאן התרחב. לאחר כוונון עדין, אפשר להשיג תכונה די סימטרית, בערך מלבנית בצורת קליטה כפי שמוצג באיור 5. זאת בניגוד למקרה שמוצג באיור 7 בי קיטובים נבחרו כדי להדגים את ההשפעה של FWM. הנה תכונת ראמאן היא סימטרית מאוד.

כאמור, תא Rb שפע טבעי המשמש לסינון קורה השליטה ולהעביר את קרן הבדיקה לסעיף זיהוי. בשל הטמפרטורה הגבוהה של התא הזה, שמו לב שזרמי אוויר סביב חלונות התא לגרום לשינוי בנראות השוליים של זיהוי אבוכי, מחדשsulting בתנודות של האות. אפקט זה מוזער על ידי יישום איתור אבוכי מייד לאחר תא הסינון והפחתת זרמי האוויר סביב חלונות התא באמצעות עיצוב תנור מתאים. אנו הבחנו אובדן חללית של סביב 30% דרך תא הסינון, בשל השתקפויות פרנל מהחלונות ולקליטה על ידי 87 אטומי Rb בתא הסינון. הפסד זה יכול להיות מופחת באופן פוטנציאלי באמצעות ציפויי antireflection על חלונות תא ובאמצעות Rb 85 הטהור במקום תערובת טבעית של Rb.

בתא אדים חם, דיפוזיה היא אחת המגבלות העיקריות לזמן האחסון. לאחר קליטת אור, אטומים יכולים לנטרל מתוך האזור קוהרנטית, ובכך באופן חלקי מחיקת המידע המאוחסן. הוספת גז חיץ (0.5 טור Kr, בניסוי שלנו) מפחיתה את ההשפעה של דיפוזיה במידה מסוימת. גז חיץ יותר מדי, לעומת זאת, יגדיל collisional ההרחבה ביום 31. זה מגדיל דצמברקליטת oherence ופקד שדה, אשר מפחיתה את היעילות של השאיבה שהוזכר לעיל. דרך נוספת לצמצום ההשפעה של דיפוזיה רוחבית היא להגדיל את האינטראקציה הנפח על ידי הגדלת הפרופילים הרוחבי של שדות הבדיקה ובקרה. גישה זו תהיה סופו של דבר להיות מוגבלת על ידי התנגשויות קשיחים עם קירות התא. במקרה זה, את קירות התא עשויים להיות מצופים בחומרי antirelaxation 32, 33, כדי לספק התנגשויות אלסטיות על הקירות, ולכן לשפר את זמן קוהרנטיות האטומי. על ידי מזעור קיר ההתנגשות קשיחה באמצעות ציפוי קיר נכון והגדלת גודל קרן לייזר כמעט לכסות את חתך התא, הייתי מצפה לוואי מינימאלי מדיפוזיה רוחבית בזמן האחסון. דיפוזיה אורך אולי אז תהפוך את השפעת חוסר רציפות הדומיננטית בזמנים אחסון ארוכים. דיפוזיה אורך גורמת לאטומים כדי לחוות את עוצמות שדה מגנטי שונות במהלך זמן אחסון שיכול לגרום reph מופחתיעילות asing. אחת דרכים לשלוט בדיפוזיה אורך תהיה להשתמש הרכב אטומי קר, כגון אטומים שכבר התקררו במלכודת מגנט אופטי (MOT). זאת, לעומת זאת, דורשת שכבה חדשה לגמרי של מורכבות ניסוי מעורבת בשליטה ענן אטום קר. זוהי מערכת שאנחנו בוחנים כעת במעבדה שלנו 36.

Disclosures

החוקרים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.

Acknowledgments

המחקר נתמך על ידי מרכז המועצה למחקר האוסטרלי של אקסלנס לחישוב קוונטים ותקשורת וטכנולוגיה, CE110001027 מספר פרויקט.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
  2. Sangouard, N., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. of Mod. Phys. 83, 33-80 (2011).
  3. Lvovsky, A. I., Sanders, B. C., Tittel, W. Optical quantum memory. Nat. Pho. 3, 76 (2009).
  4. Fleischhauer, M., Lukin, M. D. Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency. Phys. Rev. Let. 84, 5094 (2000).
  5. Afzelius, M., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Multi-Mode Quantum Memory based on Atomic Frequency Combs. Phys. Rev. A. 79, 052329 (2009).
  6. Clausen, C., et al. Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature. 469, 508 (2011).
  7. Saglamyurek, E., et al. Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature. 469, 512 (2011).
  8. Boyer, V., McCormick, C. F., Arimondo, E., Lett, P. D. Ultraslow Propagation of Matched Pulses by Four-Wave Mixing in an Atomic Vapor. Phys. Rev. Let. 99, 143601 (2007).
  9. Reim, K. F., Michelberger, P., Lee, K. C., Nunn, J., Langford, N. K., Walmsley, I. A. Single-Photon- Level Quantum Memory at Room Temperature. Phys. Rev. Let. 107, 053603-053604 (2011).
  10. Jensen, K., et al. Quantum memory for entangled continuous-variable states. Nature Physics. 7, 13 (2010).
  11. Moiseev, S., Kröll, S. Complete reconstruction of the quantum state of a single-photon wave packet absorbed by a Doppler-broadened transition. Phys. Rev. Let. 87, 173601 (2001).
  12. Moiseev, S. A., Tarasov, V. F., Ham, B. S. Quantum memory photon echo-like techniques in solids. Jour. Opt. B-Quan. Semiclass. Opt. 5, S497 (2003).
  13. Nilsson, M., Kröll, S. Solid state quantum memory using complete absorption and re-emission of photons by tailored and externally controlled inhomogeneous absorption profiles. Opt. Comm. 247, 393-403 (2005).
  14. Kraus, B., Tittel, W., Gisin, N., Nilsson, M., Kröll, S., Cirac, J. I. Quantum memory for nonstationary light fields based on controlled reversible inhomogeneous broadening. Phys. Rev. A. 73, 020302(R) (2006).
  15. Alexander, A., Longdell, J. J., Sellars, M., Manson, N. Photon echoes produced by switching electric fields. Phys. Rev. Let. 96, 043602 (2006).
  16. Sangouard, N., Simon, C., Afzelius, M., Gisin, N. Analysis of a quantum memory for photons based on controlled reversible inhomogeneous broadening. Phys. Rev. A. 75, 032327 (2007).
  17. Damon, V., Bonarota, M., Louchet-Chauvet, A., Chaneliere, T., Le Gouët, J. -L. Revival of silenced echo and quantum memory for light. New Jour. of Phys. 13, 093031 (2011).
  18. Hétet, G., Longdell, J. J., Alexander, A. L., Lam, P. K., Sellars, M. J. Electro-Optic Quantum Memory for Light Using Two-Level Atoms. Phys. Rev. Let. 100, 023601 (2008).
  19. Hedges, M. P., Longdell, J. J., Li, Y., Sellars, M. J. Efficient quantum memory for light. Nature. 465, 1052-1056 (2010).
  20. Hétet, G., Hosseini, M., Sparkes, B. M., Oblak, D., Lam, P. K., Buchler, B. C. Photon echoes generated by reversing magnetic field gradients in a rubidium vapor. Opt. Let. 33, 2323 (2008).
  21. Hosseini, M., Sparkes, B. M., Hétet, G., Longdell, J. J., Lam, P. K., Buchler, B. C. Coherent optical pulse sequencer for quantum applications. Nature. 461, 241-245 (2009).
  22. Hosseini, M., Sparkes, B. M., Campbell, G., Lam, P. K., Buchler, B. C. High efficiency coherent optical memory with warm rubidium vapour. Nat. Comm. 2, 174 (2011).
  23. Hosseini, M., Campbell, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K., Buchler, B. C. Unconditional room-temperature quantum memory. Nat. Phys. 7, 794-798 (2011).
  24. Hosseini, M., Rebic, S., Sparkes, B. M., Twamley, J., Buchler, B. C., Lam, P. K. Memory-enhanced noiseless cross-phase modulation. Light: Sci. Apps. 1, e40 (2012).
  25. Hosseini, M., Sparkes, B. M., Campbell, G., Lam, P. K., Buchler, B. C. Storage and manipulation of light using a Raman gradient-echo process. Jour. of Phys. B-Atomic. 45, 124004 (2012).
  26. Barwood, G. P., Gill, P., Rowley, W. R. C. Frequency measurements on optically narrowed Rb-stabilised laser diodes at 780 nm and 795 nm. Appl. Phys. B. 53, 142-147 (1991).
  27. Drever, R. W. P., et al. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator. Appl. Phys. B-Photophys. and Laser Chem. 31, 97-105 (1983).
  28. Sparkes, B. M., Chrzanowski, H. M., Parrain, D. P., Buchler, B. C., Lam, P. K., Symul, T. A scalable, self-analyzing digital locking system for use on quantum optics experiments. Rev. of Sci. Instr. 82, 075113 (2011).
  29. Sparkes, B. M., et al. Precision Spectral Manipulation: A Demonstration Using a Coherent Optical Memory. Phys. Rev. X. 2, 021011 (2012).
  30. Gorshkov, A. V., Andre, A., Fleischhauer, M., Sorensen, A. S., Lukin, M. Universal approach to optimal photon storage in atomic media. Phys. Rev. Let. 98, 123601 (2007).
  31. Erhard, M., Helm, H. Buffer-gas effects on dark resonances: Theory and experiment. Phys. Rev. A. 63, 043813 (2001).
  32. Balabas, M. V., et al. High quality anti-relaxation coating material for alkali atom vapor cells. Opt. Expr. 18, 5825-5830 (2010).
  33. Balabas, M. V., Karaulanov, T., Ledbetter, M. P., Budker, D. Polarized alkali-metal vapor with minutelong transverse spin-relaxation time. Phys. Rev. Let. 105, 070801 (2010).
  34. Buchler, B. C., Hosseini, M., Hétet, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K. Precision spectral manipulation of optical pulses using a coherent photon echo memory. Opt. Let. 35, 1091-1093 (2010).
  35. Higginbottom, D. B. Spatial Multimode Storage in a Gradient Echo Memory [dissertation]. , Australian National University. (2012).
  36. Sparkes, B. M., et al. Gradient echo memory in an ultra-high optical depth cold atomic ensemble. arXiv. , (2012).

Tags

פיסיקה גיליון 81 זיכרון קוונטים הד פוטון אדי רובידיום תא גזים זיכרון אופטי זיכרון הד שיפוע (GEM)
Gradient Echo קוונטית זיכרון בחם אטומי החמקן
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pinel, O., Hosseini, M., Sparkes, B. … More

Pinel, O., Hosseini, M., Sparkes, B. M., Everett, J. L., Higginbottom, D., Campbell, G. T., Lam, P. K., Buchler, B. C. Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor. J. Vis. Exp. (81), e50552, doi:10.3791/50552 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter