Name: 梯度回波量子存储在温暖的原子蒸气 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-11T19:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: 了解梯度回波量子存储技术，利用磁场梯度在温暖铷原子蒸气中实现光脉冲的高效存储与读取。该方法为量子通信和量子中继器提供了重要的实验基础。

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该研究由澳大利亚研究理事会量子计算与通信技术卓越中心资助，项目编号 CE110001027。

1. 某些定制构建的元件
<ol>
	<li>环形谐振器 
	本实验需要两个环形谐振器，用于分离和合并不同频率的光束。腔体设计如图2所示。
	<ol>
		<li>在一块整体铝材加工出的空心圆柱体周围构建谐振器。在一端安装两个具有相同反射率的平面镜，在另一端安装一个高反射率的曲面镜。镜子无需粘接到腔体间隔器上；通过精确加工间隔器，端盖足以将镜片固定到位。</li>
		<li>将曲面镜与O型圈及压电致动器组合，以实现对腔体共振频率的调控。将O型圈置于镜片与腔体间隔器之间，压电元件置于镜片后方。通过端盖将这些组件压紧在腔体间隔器上，从而实现对末端镜片的快速驱动。O型圈压缩与高速压电元件的结合通常可实现超过10 kHz的控制带宽。 
		注意：在本示例中，间隔器长度约为25 cm。该长度是任意的，但应确保控制光与探测光不发生共谐振，即超精细分裂频率不应为自由光谱范围的整数倍。由于环形结构，腔体将具有不同精细度的非简并偏振模式。定制镀膜镜片的设计目标是使s偏振光的精细度约为1,000，从而导致p偏振光的精细度约为100。尽管此类实验通常在低精细度模式下进行，但若需对光束进行更强的滤波，可方便地切换至高精细度模式。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>存储单元及其外壳的设计
	<ol>
		<li>构建存储装置时，使用一个长型玻璃池，内含同位素富集的87Rb及0.5 Torr的Kr缓冲气体。在本装置中，池长为20 cm。池窗片经过抗反射镀膜处理。需使用非磁性加热丝将该池加热至约80 °C。</li>
		<li>将玻璃池置于三层同轴螺线管线圈内。两个内层螺线管用于产生磁场梯度。绕制这些线圈前，需利用毕奥-萨伐尔定律进行仿真，模拟可提供线性变化磁场的变螺距螺线管。</li>
		<li>使用绘图软件将该螺旋线图案打印在纸上，将纸张包裹在PVC管上作为绕线引导，然后将导线绕制在管上。 注意：在本装置中，线圈长度为50 cm，超过气体池长度的两倍，以避免边缘效应。线圈直径分别为6 cm和10 cm，约为池直径的两倍，以确保磁场主要沿轴向分布。两个梯度线圈的绕向相反，因此切换线圈时可改变梯度的符号（见图3）。在典型实验中，通过这些线圈的电流为2–3 A，线圈切换时间为3–4 µsec。 
		</li>
		<li>为优化切换时间并抑制振荡，在线圈回路中串联200 Ω的阻尼电阻。将这两个线圈置于第三个常规绕制的线圈内部，该线圈用于提供直流磁场，以解除塞曼能级的简并。铷的塞曼位移约为1.4 MHz/G 26。典型的直流磁场为6 G，而梯度场强为2 G/m。</li>
		<li>在三层磁线圈外部包裹两层µ金属屏蔽层，以减小地磁场对实验的影响。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 光路布局
<ol>
	<li>使用单模激光器，并将其调谐至接近铷 D1 线 795 nm 处。通过饱和吸收测量监测激光频率，如图&#160;3所示。将激光频率失谐约 1.5 GHz，使其高于 F=2 到 F'=2 跃迁频率。此频率即为控制光束的近似频率。</li>
	<li>在分束器 BS2 处，从主激光中分出部分光以形成控制光束。利用声光调制器 AOM1 改变其频率。该 AOM 还可用于调制控制光束的功率。为驱动 AOM，将信号源输出通过一个由 TTL 信号控制的射频开关，随后放大信号再输入 AOM。通过调节该 AOM 的驱动频率，可精细调节控制光频率，例如以优化拉曼吸收效果。本实验装置中 AOM 的射频驱动频率为 80 MHz，但此值可任意设定。</li>
	<li>将用于量子存储器中存储的探测光束相对于控制光束失谐 6.8 GHz，该频率对应于87Rb 的基态超精细分裂。为获得此频率，将激光通过一个由 6.8 GHz 微波源驱动的光纤耦合电光调制器。这将在载波频率上下产生一系列以 6.8 GHz 为谐波间隔的边带。</li>
	<li>为获得单一频率的探测光束，需将 +6.8 GHz 的光与其他不需要的调制边带分离。为此，使用其中一个环形腔。将腔体 1 锁定在 +6.8 GHz 边带的共振状态。该频率的光将透过谐振腔，而其他频率的光则被反射，从而制备出可作用于铷原子 F=1 基态的纯净频率。可采用 Pound-Drever-Hall 技术27，利用输入镜反射的光对腔体进行锁定。</li>
	<li>在分束器 BS3 处分出部分激光束，并使其通过 AOM2，以实现对探测光束频率和强度的精细控制。有多种方法可用于驱动 AOM。例如，使用可编程信号发生器，设置其输出为调制在 80 MHz 的高斯脉冲。或者，将连续的 80 MHz 信号与射频混频器中的脉冲信号混合，产生调制在 80 MHz 的脉冲。无论采用哪种方式，该调制后的高斯信号均需放大后送入 AOM，从而在 AOM 的衍射级次中产生光脉冲。 
	注：该衍射级次可提供可精细调控的光脉冲，可用于存储于存储器中。脉冲幅度可通过 AOM 驱动功率与 BS1 分束比的组合进行调节。这使得能够可靠地生成广泛范围的脉冲幅度，尤其可生成平均光子数小于 1 的极弱脉冲23。</li>
	<li>下一步是将探测光束与控制光束重新合并。虽然可通过简单的分束器实现，但这会导致部分光损失。若探测光与控制光的偏振相互正交，则可使用偏振分束器实现无损耗合束；但只有通过独立控制探测光与控制光的偏振，才能真正优化存储效果。
	<ol>
		<li>为此，使用第二个高效率、阻抗匹配的环形腔。设置腔体，使探测光束透射通过，而控制场从输出镜反射。探测光通过该第二谐振腔的同时，也实现了第二级频率滤波，有助于避免四波混频问题。</li>
		<li>使用辅助锁定光束（虚线所示）注入腔体的反向模式，将该腔体锁定在探测光束频率上。将该辅助光束调谐至与探测光束不同的频率、偏振和空间模式，以便在反射时检测而不影响探测光束。之所以采取此措施，是因为使用低功率、脉冲式的探测光束来锁定腔体极为困难。在进入存储单元前，控制光束与探测光束分别被准直至 7 mm 和 3 mm 的光斑尺寸。</li>
		<li>进入存储单元前，控制场功率约为 270 mW，探测光功率可根据实验需求从零调节至几微瓦。使用四分之一波片，调节合并后的探测光与控制光的偏振，使其接近圆偏振且具有相同的手性。随后将它们注入存储气体池装置中。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>使用 LabVIEW 程序28控制实验中所有元件的时序。典型的周期为 120 µsec。在存储时间内关闭加热器，以避免干扰存储操作。典型的时序如图&#160;4所示。在可能的情况下，当光存储于存储器中时关闭控制光束。在热原子气体池中，尽管拉曼跃迁已失谐至远离激发态的多普勒宽度之外，控制场仍可能因自发拉曼散射的非零概率而成为存储器中显著的退相干来源。拉曼散射与控制场功率成正比，与失谐量的平方成反比。若在整个存储期间保持控制场开启，其将与两个低能级相互作用，并以散射决定的指数速率破坏相干性。此现象将在讨论部分进一步说明。</li>
	<li>在存储与读出后，使探测光束通过一个滤波池，以去除光束中的控制场。可使用含有天然铷混合物的池。其中85Rb 占主导，在控制光频率处强烈吸收，可实现 60 dB 的抑制。探测光束的衰减则小得多，通常为 1.4 dB。使用长度为 75 mm、加热至 140 °C 的池。若使用同位素富集的85Rb 池，可进一步减少探测光的吸收。</li>
	<li>最后一步是使用零差或外差探测方法检测探测脉冲。该检测方法的优势在于具有模式选择性，因此少量残余的控制光不会影响测量结果。回波具有（近似）圆偏振态，可通过半波片/四分之一波片组合将其转换为线偏振。
	<ol>
		<li>为产生本振光，在分束器 BS4 处分出部分光束，并通过 AOM4 调整其频率。使用快速示波器记录零差或外差装置的信号，并由 LabVIEW&#160;控制程序触发。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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

作者声明不存在任何竞争性经济利益。

实现高存储效率的一个必要条件是具有较高的光学深度（OD）[30]。Λ型几何结构电磁感应透明（Λ-GEM）的OD正比于拉曼因子 Ω_c2/Δ2，其中Ω_c为耦合场的拉比频率，Δ为相对于激发态的拉曼失谐量。自发拉曼散射速率也正比于该拉曼因子，因此在实现高吸收与低散射损耗之间存在权衡。为了确定控制场功率、失谐量和气体温度的最佳设置，我们采用一种迭代过程。在脉冲被完全吸收后，通过在存储期间关闭控制光束，可在一定程度上抑制散射损耗。光学深度还受到原子内态的影响。理想情况下，我们希望尽可能多的原子处于F=1超精细能级，以增强探针光的吸收。控制光束在此也起作用，因为它可将原子从F=2能级抽运至F=1能级。由于存在失谐，该过程效率不高，但控制光束功率较强，且可在脉冲存储实验之间的较长时间内保持开启。本实验中拉曼谱线宽度约为100 kHz，主要由控制场引起功率展宽所致。该宽度几乎对应于原子从F = 2向F = 1超精细能级抽运的速率。然而，由于缺乏允许的光学跃迁，仍会有一部分原子残留在F = 2超精细能级的mf = 2（或-2，取决于圆偏振的符号）子能级上。
光密度（OD）还将强烈依赖于原子池的温度，该温度决定了气相中原子的数量。我们使用的温度约为 78 °C，测量位置位于原子池中心。我们注意到，在我们的原子池中，若将温度升高至超过 85 °C，可能会导致控制场的部分吸收以及探测信号的一些非相干吸收。在实验运行期间，加热器会被关闭，以避免干扰原子池内部的磁场。
探测场与控制场的偏振态在存储器吸收效率中也起着至关重要的作用。87Rb 的 D1 跃迁线具有两个超精细激发态，共包含 8 个塞曼子能级。原则上，当探测场和控制场均采用相同的圆偏振时，它们仅与激发态能级 mf = 2（或 -2）、F' = 2 发生相互作用。若激光场采用线偏振或椭圆偏振，则会通过 F' = 1 和 F' = 2 的其他塞曼子能级引发拉曼耦合。由于不同耦合常数和交流&#160;各种跃迁的斯塔克位移。遗憾的是，在存储前准备好的相同圆偏振探测光场和控制光场，在通过存储介质传播时可能会经历不同的偏振自旋转。这种效应在高光学厚度介质中更为显著，而我们的实验正是采用此类介质。这意味着需要精细调节探测光束和控制光束的偏振，以抵消自旋转带来的影响。
更为复杂的是，当使用较大的光学密度（OD 25）时，有时会出现简并四波混频（FWM）过程。这可能导致信号放大，从而向存储器的输出态引入噪声。特别是当控制光束和探测光束均采用线偏振时，由于通过多个激发态的拉曼激发，FWM效应可能显著增强。我们系统中增强或抑制FWM过程的条件已在文献25中总结。通过再次精细调节探测光束和控制光束的偏振，可以减轻FWM的影响。通过这种方式，可将FWM过程抑制到不再为回读光增加噪声的程度23。关于FWM，值得注意的是，两个谐振腔在抑制由光纤电光调制器（Fiber-EOM）产生的-6.8 GHz边带方面均起着重要作用，否则该边带将引发FWM过程。
自旋和四波混频（FWM）均会影响展宽后拉曼谱线的线型。经过精细调节后，可获得一个相当对称、近似矩形的吸收特征，如图&#160;5所示。这与图&#160;7所示的情况形成对比，后者选择特定偏振以展示四波混频（FWM）的影响，此时拉曼特征呈现高度不对称。
如前所述，使用了一个天然丰度的 Rb 滤光池来滤除控制光束，同时让探测光束通过至探测区域。由于该滤光池温度较高，我们注意到池窗周围的空气对流会导致外差探测条纹可见度发生变化，从而引起信号波动。通过在滤光池后立即实施外差探测，并采用适当的炉体设计减少池窗周围的空气对流，该效应已得到显著抑制。我们观察到探测光束在通过滤光池时损失约 30%，这主要源于池窗的菲涅尔反射以及滤光池中 87Rb 原子的吸收。通过在池窗上使用抗反射涂层，并以纯 85Rb 代替天然铷混合物，这种损耗有望进一步降低。
在温热的蒸气池中，扩散是限制存储时间的主要因素之一。原子吸收光后，可能扩散出相干区域，从而部分抹除所存储的信息。加入缓冲气体（本实验中为0.5 Torr的Kr）可在一定程度上减小扩散效应。然而，过量的缓冲气体会加剧碰撞展宽31，导致退相干增强以及控制光场的吸收增加，从而降低上述抽运过程的效率。另一种减小横向扩散影响的方法是通过增大探测光与控制光的横向光束轮廓来扩大相互作用体积。这种方法最终会受到原子与池壁发生非弹性碰撞的限制。此时，可通过在池壁上涂覆抗弛豫材料32,33，使原子与池壁发生弹性碰撞，从而延长原子的相干时间。通过采用适当的池壁涂层以最小化非弹性壁碰撞，并增大激光光束尺寸使其几乎覆盖整个池的横截面，可预期横向扩散对存储时间的影响降至最低。在较长的存储时间内，纵向扩散可能成为主导的退相干效应。纵向扩散会导致原子在存储期间经历不同的磁场强度，从而降低重聚效率。控制纵向扩散的一种方法是使用冷原子系综，例如通过磁光阱（MOT）冷却的原子。但这需要引入一套全新的实验复杂性，以实现对冷原子云的操控。这是我们实验室目前正在评估的一种系统36。

量子信息技术面临的一个重大挑战是构建能够存储量子态的量子存储器。对于光子量子计算1，或量子密钥分发系统中使用的量子中继器2而言，这意味着需要构建一种能够存储光量子态的存储器3。实现这一目标的途径之一是利用原子系综，通过对其进行控制，以实现光信号的存储，并在之后可控地释放光信号。目前已发展出多种技术，包括电磁感应透明（EIT）4、原子频率梳（AFC）5,6,7、四波混频（FWM）8、拉曼吸收9、法拉第相互作用10以及光子回波技术11,12,13,14,13,15,16,17,18,19。
本文的重点是Λ型梯度回波记忆（Λ-GEM），该技术利用三能级“Λ”型结构的原子介质实现。该方案最初于2008年在热铷蒸气池中实现20。该体系已被用作光脉冲的随机存取存储器21，其存储效率最高可达87%22，能够实现量子态的无噪声存储23，并在非线性光学操作方面展现出一定潜力24。我们最近还发表了一篇论文，详细探讨了该存储机制与热原子蒸气相互作用的特性25。
该技术的核心在于制备一个具有非均匀展宽的原子系综，使其能够吸收一束光脉冲。在我们的实验中，采用拉曼吸收，如图&#160;1a所示。待存储的探测光将被映射到原子两个基态之间的相干性上。通过在光传播方向施加磁场梯度，产生拉曼吸收频率的空间梯度，从而实现展宽，如图1b所示。因此，存储脉冲的不同频率成分将沿原子系综长度方向线性地映射到不同的空间位置。换句话说，由输入脉冲吸收所生成的原子自旋波的空间分布与输入脉冲的时间分布的傅里叶变换成正比。正如我们稍后将阐述的，正是这种频率梯度赋予了该存储器一些独特的光谱处理能力。通过反转磁场梯度，可以实现原子系综相干性的逆向演化，从而实现光脉冲的读取。

<table><tbody><tr><td>钛-蓝宝石激光器</td><td>M Squared Lasers</td><td></td><td>SolsTiS</td></tr><tr><td>数字示波器</td><td>Lecroy</td><td></td><td>WaveRunner 44Xi-A</td></tr><tr><td>原子记忆池</td><td>Triad Technology</td><td></td><td>20 cm 长，&lt;sup&gt;87&lt;/sup&gt;Rb 增强，0.5 Torr Kr 缓冲气体，AR 涂层</td></tr><tr><td>滤光池</td><td>Triad Technology</td><td></td><td>7.5 cm 长，天然混合 Rb，无缓冲气体</td></tr><tr><td>光纤电光调制器（EOM）</td><td>EOSPACE</td><td></td><td>PM-0K5-10-PFA-UL</td></tr><tr><td>声光调制器（AOM）</td><td>AA Opto-Electronic</td><td></td><td>MT80-A1-IR</td></tr><tr><td>AOM 驱动组件</td><td>Minicircuits</td><td></td><td>放大器 ZHL-1-2W</td></tr><tr><td></td><td>Minicircuits</td><td></td><td>混频器 ZAD-6</td></tr><tr><td></td><td>Agilent</td><td></td><td>80 MHz 信号源 33250A</td></tr><tr><td>光学谐振腔</td><td></td><td></td><td>定制三角环形腔。自由光谱范围 FSR = 600 MHz，精细度 Finesse = 100。&lt;br/&gt; 平面镜（用于输入和输出），由 Advanced Thin Films 采用离子束溅射（IBS）镀膜。后端反射镜曲率半径为 1 m ROC&lt;br/&gt; Newport 超反射镜（反射率 R&gt;99.97%）</td></tr><tr><td>光电二极管</td><td>Hamamatsu</td><td></td><td>S3883</td></tr><tr><td>电流开关</td><td>Electronic Design and Research</td><td></td><td>EDR83915/2 和 EDR8276612</td></tr></tbody></table>

暖原子蒸气中的梯度回波量子存储器

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

梯度回波存储（GEM）是一种用于在原子系综中存储光量子态的协议。开发此类技术的主要动机在于，利用海森堡不确定性原理来保障密码密钥安全的量子密钥分发（QKD）技术，其传输距离受到限制。发展量子中继器是扩展QKD传输范围的一种可能途径，但中继器需要具备量子存储能力。在我们的实验中，使用包含在温热气体池中的铷87蒸气作为原子介质，这使得实验方案尤为简单。该方案还具有高度的灵活性，能够在存储过程中对量子态进行优化处理，例如频率移动和带宽调控。GEM协议的基本原理是将光信号吸收至一个处于磁场梯度中的原子系综内。通过反转该磁场梯度，可实现原子极化的重新相位匹配，从而恢复所存储的光学量子态。本文将概述我们如何制备原子态及磁场梯度，并讨论一些需要避免的实验陷阱，特别是可能引起光学增益的四波混频效应。

1. 利用拉曼吸收作为诊断工具
首先需要获得的是探测光束光的拉曼谱线吸收。优化这一吸收特征对于实现最佳存储性能至关重要。在关闭磁场梯度线圈的情况下，可以在弱连续探测光存在时扫描控制光频率。探测光束的吸收直接与原子池的光学密度相关。基于这一点，可以通过迭代过程优化原子池温度、控制光束功率以及单光子失谐量，以获得尽可能高的拉曼吸收。控制光束功率过高会增加吸收，但同时也会展宽谱线宽度。在优化后，本系统中谱线宽度约为100 kHz。
开启其中一个梯度线圈会加宽拉曼谱线。加宽后吸收谱线的宽度决定了存储器的带宽。因此，必须在影响存储效率的光学密度与存储带宽之间进行权衡。我们其中一个加宽后的拉曼谱线对应的探针透射率如图5所示，其中存储器带宽设定为约1 MHz。
同时开启两个磁梯度线圈，应能恢复未展宽的吸收线宽。电流大小的任何不匹配或磁场的空间不均匀性都会直接反映在拉曼吸收的展宽和畸变上。
2. 脉冲存储
记忆的最简单配置是单脉冲存储与读取。例如，存储持续时间为 2 µsec 的脉冲，并在脉冲峰值后 3 µsec 切换磁场梯度线圈，如图 6所示。如果光学密度较低，则会观察到一定程度的光泄漏，其程度取决于介质的光学密度（OD）。精确调节记忆参数对于实现高效率存储至关重要。这包括优化记忆单元的温度、精确对准探测光与控制光场、调节控制光束的强度以在吸收与散射之间取得最佳平衡、确保光束的正确偏振态，以及调节探测光和控制光光束的频率。该优化方法将在讨论部分进一步说明。当所有这些参数调节得当时，对于 4 µsec 的存储时间，预期可实现超过 80% 的效率22。存储效率定义为读取回波的能量与未在记忆中存储的相同脉冲能量之比。这种方法有效地排除了线性损耗的影响，例如由表面菲涅尔反射或滤光池中吸收引起的损耗。在使用外差探测时，脉冲的能量通过对异差信号进行平方并测量脉冲包络的面积来确定。
重建脉冲的频率和带宽取决于注入梯度线圈的电流。通过简单调节这些电流，即可对重建脉冲进行精细调谐。利用更先进的线圈装置，可独立地将存储介质中的梯度调节为位置和时间的函数，从而实现更复杂的光谱操控（如文献29中所述）。
<img alt="能级跃迁示意图，包含光学激发、探测光和控制光；能级 F'=2, F=1,2。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig1.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Figure 1"> 
图1. a) 存储过程中使用的87Rb D1谱线内的能级结构。探测光通过拉曼吸收在F=1和F=2两个基态之间建立相干性。b) 磁场梯度导致沿原子池长度方向上基态的失谐量具有空间依赖性。反转梯度并打开控制光束可实现存储探测光的读取。（改编自[34]）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig1highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="压电驱动器示意图，包含O形圈，展示光谱分析中的光学装置。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig2.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 2"> 
图 2. 光学模式清洁器的示意图。具体描述请参见方法部分。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig2highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高分辨率图像</a>。
<img alt="用于光信号处理的梯度回波存储装置示意图，包含GEM单元和钛宝石激光器。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig3.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图3"> 
图3. 实验装置示意图。 AOM = 声光调制器；EOM = 电光调制器；BS = 分束器；λ/4 = 四分之一波片。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig3highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清大图</a>。
<img alt="脉冲序列示意图，写入线圈与读取线圈的控制；以微秒（µs）为单位的循环位置，时间可视化。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig4.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图 4"> 
图 4. 一种典型的存储器时序序列。（引自35）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig4highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="探针透射率与失谐关系图，光学研究，MHz范围内的信号吸收分析。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig5.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图5"> 
图5. 当开启其中一个磁场梯度线圈时典型的外差展宽拉曼谱线。 数据（细实线）通过外差测量获得。振荡源于探针光与本地振荡光之间的拍频。虚线曲线表示该数据的包络，即展宽后的拉曼谱线形状。（改编自25）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig5highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="瞬态吸收光谱图，强度随时间变化，光学激发，发射分析。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig6.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图6"> 
图6. 短存储时间下的典型平均效率GEM回波。 磁梯度线圈在 t = 10 μsec（虚线）时切换。红色：输入脉冲强度分布。蓝色：存储器的输出强度，显示泄漏光（在红色输入脉冲下方可见）和回波信号，回波出现在虚线右侧。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig6highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。
<img alt="双光子失谐图；探测光透射率随失谐量的变化，不同温度和功率条件。" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig7.jpg" width="500px" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="图7"> 
图7. 在扫描拉曼线时，不同控制光功率和气室温度下的四波混频效应。 本图中，控制光与探测光的偏振方向被选择为使该效应最大化。Pc 表示控制光束的功率。（改编自25）。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig7highres.jpg" target="_blank">点击此处查看高清图像</a>。

梯度回波存储是一种在原子系综中存储光量子态的协议。量子存储器是量子中继器的关键组成部分，可扩展量子密钥分发的范围。我们概述了该方案在三能级原子系综中实现时的工作原理。

梯度回波存储（GEM）是一种用于在原子系综中存储光的光学量子态的协议。该技术的主要动机是……

本实验的总体目标是利用磁场梯度在温热的铷蒸气中存储并读取光脉冲。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的特定频率的光束；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，并精细调节控制光束的频率，以实现拉曼吸收。接下来，光脉冲被存储在一个铷原子池中，其吸收谱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，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。由于该记忆机制具有独特的领域特性，光脉冲的频率成分可沿气体池的长度方向存储。随后，该记忆机制可用于存储光的光谱调控。通过定制两个环形谐振器来准备实验。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。将一个最高反射率的曲面镜放在O形圈上。在镜片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，以便快速调节末端镜片。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。实验中使用的腔体需用非磁性加热丝包裹。在此示意图中以绿色表示的存储腔将被置于三个同轴螺线管之中。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产生的磁场梯度相互 opposing。在两个螺线管之间切换会反转原子系综中的梯度，从而迫使光脉冲重新相位并从存储器中读出光信号。第三个外部螺线管将产生一个直流磁场，以解除XEOMIN能级的简并。为了制作内部螺线管，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，使用两层坡莫合金对其进行磁屏蔽。实验采用单模激光器，将其调谐至接近铷D1线795纳米的波长。使用分束器，并将一束光通过含有天然同位素比例铷的加热池来监测频率。利用相机观察共振附近的散射情况，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，在光路中使用分束器将光束分为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吉赫边带的共振上，消除边带。下一个分束器将探测光束引导至克尔光调制器，以实现对其频率和强度的精细控制。该调制器由调制的高斯信号驱动，产生一个精细的光脉冲用于在细胞中存储。将探测光束引导至穿过第二个环形腔。使用注入到腔体反向模式的辅助锁定光束，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，使用填充了自然丰度铷混合物并加热至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高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。启动由计算机控制的实验脚本。典型的占空比约为120微秒，用于在周期早期触发示波器。初始时，记忆单元周围的两个内线圈中一个开启，另一个关闭，从而产生一个方向的磁场梯度。在探测光脉冲被存储后，反转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场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的数据。振荡是由于探测光与本地振荡光之间的拍频所致。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。开关之前输出存在非零强度，这是光泄漏的证据。这种高效率的分级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。请注意，使用高功率激光器可能极为危险。进行此操作时，务必佩戴激光防护眼镜。

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