暖原子蒸气中的梯度回波量子存储器

本实验的总体目标是利用磁场梯度在温热的铷蒸气中实现光脉冲的存储与读取。首先，通过电光调制器和光学谐振腔生成适用于铷蒸气中拉曼吸收所需频率的光束；第二步，利用声光调制器对将被存储在记忆介质中的光脉冲进行整形，并精细调节实现拉曼吸收的控制光束频率。

接下来，光脉冲被存储在一个铷原子池中，其吸收谱线通过纵向磁场梯度实现空间展宽。最后一步是反转磁场梯度，以逆转原子相干性的演化过程，从而通过光子回波过程重新释放出存储的光脉冲。最终，采用零差探测技术来测量所重建光子回波的特性。

该技术相较于现有方法的主要优势在于其已证明的效率最高。由于该记忆介质具有独特的区域特性，光脉冲的频率成分可沿气体池的长度方向被存储。随后，该记忆介质可用于存储光的光谱调控。

通过定制制作两个环形谐振器来为实验做准备。为谐振腔间隔件选择一个块状铝制成的空心圆柱体。该圆柱体长度约为25厘米。

准备两个在端盖上具有相同反射率的平面镜。通过精密加工将它们安装在谐振腔间隔器的一端。镜子无需粘接。

接下来，在腔体间隔器另一端的端盖内放置一个O形圈。将一个高反射率的曲面镜放在O形圈上。在反射镜上安装一个压电致动器，并将端盖固定到腔体间隔器上，压紧端盖中的各组件，以便快速调节末端反射镜。

现在开始组装存储装置。此处使用一个长度为20厘米的长腔，其窗口镀有减反射膜，内部含有同位素富集的铷-87，并充入0.5托的氪缓冲气体。实验中需使用非磁性加热丝缠绕的腔体。如示意图中绿色所示的存储腔，将被封装在三个同轴的螺线管线圈之中。

有两个结构相同的内部螺线管，其螺距可变，用于产生线性变化的磁场。它们的安装方式使得各自磁场的梯度方向相互对立。在两个螺线管之间切换会反转原子系综中的磁场梯度，从而迫使光脉冲重新相位匹配，并从存储器中读取出光信号。

第三个外层螺线管将产生一个直流磁场，以解除XEOMIN能级的简并。为了制作内层螺线管，请使用仿真来确定所需的变螺距螺旋结构，并打印其图形。将该图形缠绕在一根PVC管上，以作为导线绕制的引导。

线圈的设计应避免边缘效应，并主要产生纵向磁场。在绕制并组装三个螺线管后，需用两层坡莫合金对其进行磁屏蔽。实验采用单模激光器，其波长调谐至接近铷D1线795纳米处。

使用一个分束器，并将一束光通过一个含有天然同位素比例的铷的加热池来监测频率。利用相机观察接近共振时的散射情况，将频率调至 F = 2 到 F′ = 2 跃迁以上约 1.5 吉赫兹处，以获得控制光束的近似频率。接下来，在光路中使用一个分束器，形成控制光束和探测光束。

探测光束继续通过一个光纤耦合的电光调制器和其中一个环形腔。使用由6.8吉赫微波源驱动的光纤耦合电光调制器，使探测光束相对于控制光束失谐。通过将环形腔锁定在正6.8吉赫边带上共振，以消除边带。

下一个分束器将探测光束引导至一个克尔光调制器，以实现对其频率和强度的精细控制。该调制器由一个调制的高斯信号驱动，产生一个精确的光脉冲用于在细胞中存储。将探测光束引导通过第二个环形腔，使其透射。

使用注入到腔体反向模式中的辅助锁定光束，将腔体锁定至探测光束频率。在腔体输出镜处将探测光束与控制光束重新合并，其中控制光束被反射。在它们进入存储单元之前，利用四分之一波片调节合并后的探测光束和控制光束，使其具有相同的大致圆形偏振。在存储单元之后，使用填充有天然混合铷、温度为140摄氏度的滤光池，从传播光中滤除控制光束。

然后使用第二个四分之一波片将泵浦脉冲转换为接近线偏振。为探测光束准备外差检测装置。在记忆单元之后，将一束光引导至第三个Oko光学调制器，以改变其频率并为探测器提供本振信号。

使用由控制程序触发的快速示波器来捕获并存储实验信号。确保存储单元温度为 80 摄氏度，并调节探测光束功率。启动计算机控制的实验脚本。

典型的循环周期约为120微秒，在周期初期触发示波器。最初，记忆单元周围的两个内线圈中一个处于开启状态，另一个处于关闭状态，从而在一个方向上形成磁场梯度。在探测光束脉冲被存储后，反转该梯度以从记忆中读取光信号。

在存储记忆期间关闭气体池加热器，以避免对记忆操作产生干扰。如果可能，在光存储于记忆中时关闭控制光束。此图显示了当其中一个梯度磁线圈开启时典型的外差展宽拉曼谱线。

细实线显示了外差测量得到的数据。振荡是由于探测光与本地振荡光之间干涉所致。虚线表示该数据的包络线，即展宽的拉曼线型。

本图展示了短存储时间下典型的平均效率梯度回波存储信号。红色曲线表示输入脉冲强度分布，蓝色曲线表示存储器的输出信号。磁梯度线圈在10微秒时切换。

回波信号出现在虚线右侧。开关前输出存在非零强度，这是光泄漏的证据。这种高效率光栅回波存储器可用于多种实验，例如在时间域和频率域中对脉冲进行整形，以及潜在地构建量子中继器。

请务必注意，使用高功率激光器可能极为危险。进行此操作时，必须始终佩戴激光防护眼镜。