Gradient Echo Quantum Speicher in Warm Atomic Vapor

Summary

Das Gradientenecho-Speicher ist ein Protokoll zum Speichern von optischen Quantenzustände des Lichtes in atomaren Ensembles. Quantum-Speicher ist ein Schlüsselelement eines Quanten Repeater, die den Bereich der Quantenschlüsselverteilung verlängern kann. Wir skizzieren die Durchführung der Regelung, wenn in einem 3-Level-Atom-Ensemble realisiert.

Abstract

Gradienten-Echo-Speicher (GEM) ist ein Protokoll für die Speicherung von optischen Quantenzustände von Licht in atomaren Ensembles. Die primäre Motivation für eine solche Technologie ist, dass die Quantenschlüsselverteilung (QKD), die Heisenbergsche Unschärferelation verwendet, um die Sicherheit von kryptographischen Schlüsseln zu gewährleisten, wird in der Übertragungsstrecke begrenzt. Die Entwicklung eines Quanten Repeater ist ein möglicher Weg, um QKD Bereich zu erweitern, aber ein Repeater einen Quantenspeicher benötigen. In unseren Experimenten verwenden wir ein Gas aus Rubidium-87 Dampf, der in einem warmen Gaszelle enthalten ist. Dies macht das System besonders einfach. Es ist auch ein sehr vielseitiges System, das im Speicher Ausgestaltung der gespeicherten Zustand, wie Frequenzverschiebung und Bandbreite Manipulation ermöglicht. Die Basis des GEM-Protokoll ist, das Licht in eine Vielzahl von Atomen, die in einem Magnetfeld-Gradienten hergestellt wurde absorbieren. Die Umkehrung dieses Gradienten führt zu rephasierenden der atomaren Polarisation und damit Rückruf der gespeicherten optischen Zustand. We erläutern, wie bereiten wir die Atome und diese Steigung und auch beschreiben, einige der Gefahren, die vermieden werden, insbesondere Vierwellenmischung, die Anlass zu optischen Verstärkung geben müssen.

Introduction

Eine der herausragenden Herausforderungen der Quanteninformationstechnologie ist die Fähigkeit, einen Speicher für Quantenzustände zu bauen. Für photonische Quantencomputer ¹ oder ein Quanten Repeater in einem Quantenschlüsselverteilung System ² verwendet wird, bedeutet dies den Aufbau einer Erinnerung, die Quantenzustände von Licht ³ speichern. Ein Ansatz zur Erreichung dieses Ziels getroffen ist, Kombinationen von Atomen, die in einer solchen Weise zu speichern und zu verwenden, gesteuert werden kann dann kontrolliert frei Licht zu einem späteren Zeitpunkt. Zahlreiche Techniken wurden entwickelt, einschließlich elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) ^4, das Atomfrequenzkamm (AFC) ^{5, 6, 7,} Vierwellenmischung (FWM) ^8, Raman Absorptions ^{9, 10} und Faraday Wechselwirkung Photonechotechniken ^{11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, ​​19.}

Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist Λ - Gradient Echo-Speicher (Λ-GEM), die mit drei Werke-Ebene "Λ" strukturierten Atom Medien. Es wurde zunächst in einem warmen Rb Dampfzelle im Jahr 2008 ²⁰ implementiert. Diese Regelung wurde als Direktzugriffsspeicher zum Lichtimpulse, ²¹ verwendet wurde, hat eine nachgewiesene Effizienz so hoch wie 87% ^22, bietet geräuschlose Speicherung von Quantenzuständen ²³ und zeigt einige Versprechen als Plattform für nichtlineare optische Operationen ^24. Wir haben auch vor kurzem ein Papier, das in einigen Details über das Zusammenspiel dieser Speicher mit warmem Atomdampf geht ²⁵ veröffentlicht.

Das Wesen der Technik ist, dass vorbereitet eine Vielzahl von Atomen, die inhomogen verbreitert ist, so daß die Atome einen Lichtimpuls zu absorbieren. In unserem Experiment nutzen wir Raman-Absorption, wie in 1a gezeigt. Das Messlicht, das gespeichert werden soll, wird auf die Kohärenz zwischen zwei Grundzustände der Atome zugeordnet werden. Die Erweiterung wird durch Anlegen eines magnetischen Feldes vorgesehen gradient entlang der Richtung der Lichtausbreitung, Induzieren eines räumlichen Gradienten in der Raman Absorptionsfrequenzen, wie in Fig. 1b gezeigt. Die verschiedenen Frequenzkomponenten des gespeicherten Impulses werden so auf unterschiedlichen räumlichen Positionen linear entlang der Länge der Atom Ensemble abgebildet. In anderen Worten ist das räumliche Profil der atomaren Spinwelle, die durch die Absorption des Eingangsimpulses erzeugt wird, proportional zu der Fourier-Transformation des zeitlichen Verlaufs des Eingangsimpulses. Wie wir später darlegen, ist es diese Frequenz Gradienten ermöglicht, dass auch einige der interessantspektralen Verarbeitungsmöglichkeiten dieses Speichers. Durch Umkehren der Feldgradient kann die Entwicklung der Kohärenz des Atom Ensemble zeitumgekehrt werden. Dies ermöglicht die Wiedergewinnung des Lichtimpulses.

Protocol

1. Einige Kundenspezifische Elemente

1. Ringresona

   In diesem Experiment werden zwei Ringresonatoren, die zum Kombinieren und Teilen Strahlen unterschiedlicher Frequenzen erforderlich. Das Design des Hohlraums ist in Fig.. 2.
   1. Erstellen Sie die Resonatoren um einen Hohlzylinder von Groß Aluminium. An einem Ende, montieren zwei Flachspiegel mit identischen Reflexionsvermögen. Am entgegengesetzten Ende Halterung eine maximale Reflektivität gekrümmten Spiegel. Die Spiegel müssen nicht zu dem Hohlraum Abstandshalter verklebt werden. Mit einer sorgfältigen Bearbeitung des Abstands sind die Endkappen genug, um sie in Position zu halten.
   2. Verbinden die gekrümmten Spiegel mit einem O-Ring und das piezoelektrische Stellglied, um die Kontrolle der Hohlraumresonanzfrequenz zu ermöglichen. Den O-Ring, der zwischen dem Spiegel und dem Hohlraum Spacer, mit dem piezo hinter dem Spiegel. Komprimieren Sie diese Elemente auf den Hohlraum Abstandhalter mit der Endkappe für schnelle Betätigung der Spiegel Ende zu ermöglichen. Die Kombination von O-Ring-Kompressionund Hochgeschwindigkeits-Piezo-Regel können zur Steuerung Bandbreiten von mehr als 10 kHz.
      Anmerkung: In diesem Beispiel sind die Abstandshalter etwa 25 cm lang. Diese Länge ist willkürlich, obwohl es so zu wählen, dass die Steuer-und Messlicht nicht coresonant, was bedeutet, daß die Hyperfeinstruktur nicht ein Vielfaches des freien spektralen Bereich liegen. Aufgrund der Ringgeometrie wird der Hohlraum haben nicht entartet Polarisationsmoden unterschiedlicher Finesse. Die benutzerdefinierten beschichtete Spiegel sind angegeben, um einen Hohlraum von rund 1.000 Finesse für s-polarisiertes Licht, das zu einer Finesse von etwa 100 für p-polarisiertes Licht führt zu liefern. Während diese Experimente sind in der Regel auf der Nieder Finesse-Modus durchgeführt, kann die Einrichtung leicht mit der Hoch Finesse geschaltet sollten stärkere Filterung der Strahlen erforderlich ist.
2. Design der Speicherzelle und dessen Gehäuse
   1. Um die Speichergerät zu bauen, verwenden Sie eine lange Zelle mit isotopisch verbesserte ⁸⁷ Rb along mit 0,5 Torr von Kr Puffergas. Im Setup ist die Länge 20 cm. Die Fenster der Zelle sind entspiegelt. Diese Zelle ist mit einem nichtmagnetischen Heizdraht auf etwa 80 ° C erwärmt werden.
   2. Hüllen Sie die Zelle in drei konzentrischen Magnetspulen. Die beiden inneren Magnete schaffen die Magnetfeld-Gradienten. Um diese Magnetspulen wickeln, führen Sie eine Simulation mit dem Biot-Savart-Gleichung. Simulieren Sie die Variable-Pitch-Solenoid, das eine linear veränderliche Magnetfeld zur Verfügung stellt.
   3. Mit einem Grafik-Programm, drucken Sie ein Grundstück von dieser Spirale auf ein Stück Papier. Wickeln Sie das Papier um ein PVC-Rohr, um eine Linie, um auf das Rohr zu folgen und den Draht zu liefern.

      Anmerkung: In diesem Aufbau sind die Spulen 50 cm lang, über die doppelte Länge der Gaszelle, um Randeffekte zu vermeiden. Die Durchmesser sind 6 und 10 cm, die das Doppelte des Durchmessers der Zelle, um sicherzustellen, dass die magnetischen Felder hauptsächlich Längs. Die Gradienten-Magnetspulen einander gegen so that Schalten zwischen ihnen die Vorzeichen des Gradienten zu wechseln (siehe Abb.. 3). In einem typischen Experiment ist 2-3 A Strom durch diese Spulen geführt und die Spulen 3-4 &mgr; s eingeschaltet.

   4. Um die Schaltzeit zu optimieren und zu stoppen Schwingungen verwenden 200 Ω Dämpfungswiderstände in Reihe mit den Spulen. Daß diese beiden Magnetspulen in der dritten Regel gewickelte Spule, die verwendet wird, um ein Gleichstrom-Magnetfeld bereitzustellen, um die Entartung der Zeeman-Niveaus zu heben. Rubidium hat eine Verschiebung von etwa 1,4 MHz / G des Magnetfeldes ^26. Eine typische Gleichstromfeld ist 6 G, während die Gradienten würde 2 G / m sein.
   5. Platzieren zwei Schichten μ-Metallabschirmung um die drei Magnetspulen, um den Einfluss des Magnetfeldes der Erde auf das Experiment zu reduzieren.

2. Layout des optischen Strahlengangs

1. Verwenden Sie einen Single-Mode-Laser in der Nähe des Rubidium-D ₁ Linie bei 795 nm eingestellt. Überwachen Sie die Frequenzdes Lasers unter Verwendung eines gesättigten Absorptionsmessung, wie in Fig. 3 gezeigt. Verstimmung der Frequenz von etwa 1,5 GHz über der F = 2 bis F '= 2 Übergang. Dies wird die ungefähre Frequenz des Steuerstrahls sein.
2. Am Strahlteiler BS2, tippen Sie etwas Licht von der Hauptlaser, um die Steuerstrahl bilden. Verschiebt seine Frequenz unter Verwendung des akusto-optischen Modulator AOM1. Dies ermöglicht auch AOM Modulation des Steuerstrahlleistung. Um die AOM fahren, vorbei an der Ausgabe einer Signalquelle über einen HF-Schalter, der durch ein TTL-Signal gesteuert wird, und dann verstärken das Signal, bevor es in die AOM. Feinabstimmung der Steuerfrequenz, um die Raman-Absorption zum Beispiel zu optimieren, indem die Antriebsfrequenz des AOM. Die HF-Treiberfrequenz der AOMs in der Einrichtung 80 MHz, aber dies ist willkürlich.
3. Verstimmung des Sondenstrahls, die in der Quantenspeicher gespeichert wird, von 6,8 GHz aus dem Steuerstrahl, wobei diese Frequenz der Grundzustandshyperfeinaufspaltung⁸⁷ Rb. Diese Frequenz herzustellen, passieren den Laser durch eine Faser-gekoppelten elektro-optischen Modulator, der von einem 6,8 GHz Mikrowellenquelle angetrieben wird. Dies erzeugt eine Reihe von Seitenbändern bei Oberwellen der 6,8 GHz oberhalb und unterhalb der Trägerfrequenz.
4. Um eine Probenstrahl mit einer reinen Frequenz zu erhalten, trennen Sie die 6. 8 GHz Licht von allen anderen unerwünschten Modulationsseitenbänder. Um dies zu tun, verwenden Sie eines der Ring Kavitäten. Sperren Cavity 1 auf Resonanz mit der 6. 8 GHz Seitenband. Diese Frequenz wird dann durch den Resonator übertragen werden, während alle anderen Frequenzen reflektiert werden, unter Ausbildung einer reinen Frequenz, die die F 1 = Grundzustand der Rubidium-Atomen adressieren. Der Hohlraum kann mit dem Pound-Drever-Hall-Technik ²⁷ verriegelt ^werden], wobei das Licht von der Eingangsspiegel reflektiert.
5. Abklopfen einen Teil des Laserstrahls bei BS3 und senden Sie es per AOM2 eine feine Steuerung der Frequenz und der Intensität des Messstrahls zu ermöglichen. Dagibt eine Reihe von Methoden zur Verfügung, um die AOM zu fahren. Zum Beispiel verwenden einen programmierbaren Signalgenerator eingestellt, Gauß-Impulsen bei 80 MHz moduliert generieren. Alternativ verbinden eine kontinuierliche 80-MHz-Signal mit einem Impuls mit einer HF-Mischer, um einen Impuls bei 80 MHz moduliert geben. Wie auch immer, dieses modulierte Gauß wird dann verstärkt und in dem AOM geschickt, um einen Lichtimpuls in einen gebeugten Ordnung des AOM geben.
   Hinweis: Dieses Beugungsordnung wird fein gesteuert Lichtimpulse, die in dem Speicher gespeichert werden können. Die Amplitude der Impulse kann unter Verwendung einer Kombination des AOM Antriebsleistung und Variieren des Teilungsverhältnisses des BS1 abgestimmt werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Produktion einer breiten Palette von Pulsamplituden, insbesondere, ermöglicht die Herstellung von sehr schwachen Impulse mit mittleren Photonenzahlen weniger als 1 ^23.
6. Der nächste Schritt ist es, die Sonde und Steuerstrahlen rekombinieren. Dies könnte mit einer einfachen Strahlteiler gemacht werden, aber das würde bedeuten, verlieren einen Teil des Lichtes.Wenn die Polarisation der Probe und Kontrolle wurden dann orthogonal lossless Rekombination kann mit einem Polarisationsstrahlenteiler erreicht werden, aber der Speicher kann nur dann wirklich über eine unabhängige Steuerung der Sonde und Steuer Polarisationen optimiert werden.
   1. Um dies zu erreichen, verwenden Sie eine zweite, hocheffiziente, impedanzangepassten, Ring Höhle. Einrichten eines Hohlraums, so daß der Sondenstrahl durchgelassen wird, während das Steuerfeld wird von dem Ausgangsspiegel reflektiert. Übertragung der Sonde durch diesen zweiten Resonator liefert auch eine zweite Schicht aus Frequenzfilterung, die Probleme mit Vierwellenmischung zu vermeiden hilft.
   2. Sperren dieses Hohlraums mit der Frequenz des Meßstrahls unter Verwendung einer Hilfsriegelträger (gestrichelte Linie), die in den Rückwärtsmodus des Hohlraums eingespritzt wird. Tune diesen Strahl auf eine andere Frequenz, Polarisation und räumliche Mode des Sondenstrahls so, dass es bei der Reflexion keine Beeinträchtigung des Sondenstrahls detektiert werden. Der Grund für diese Bemühungen ist, daß sieist teuflisch schwierig, die Low-Power-, gepulsten Sondenstrahl verwenden, um den Hohlraum zu sperren. Die Steuer-und Sondenstrahlen vor der Speicherzelle 7 mm und 3 mm Größen kollimiert sind.
   3. Das Steuerfeld vor dem Stromspeicherzelle ~ 270 mW und der Sonde Leistung kann von Null bis zu einigen Mikrowatt je nach Experiment Lauf gewählt werden. Mit einer Viertelwellenplatte, passen Sie die Polarisation der kombinierten Sonde und Steuerträger zu sein (ungefähr) Kreis-und derselben Helizität. Spritzen Sie sie in die Speicherzelle Gasgerät.
7. Steuerung der Timing aller Teile des Versuchs unter Verwendung eines LabVIEW-Programm ^28. Ein typischer Arbeitszyklus würde 120 Mikrosekunden sein. Heizgerät während der Speicherzeit um Interferenzen mit dem Speicherbetrieb zu vermeiden. Eine typische Zeitsequenz in Fig. 4 gezeigt. Wenn möglich, schalten Sie das Kontrollstrahl aus, während das Licht in dem Speicher gespeichert. In einer warmen Gaszelle, obwohl the Raman-Übergang von dem erregten Zustand über den Dopplerbreite verstimmt, kann das Steuerfeld noch eine signifikante Quelle von Dekohärenz in dem Speicher aufgrund der Nicht-Null-Wahrscheinlichkeit der spontanen Raman-Streuung. Die Raman-Streuung ist direkt proportional zu dem Steuerfeld Leistung und umgekehrt proportional zur Verstimmung quadriert. Wenn das Kontrollfeld wird während der gesamten Lagerzeit gehalten wird, kann es mit den beiden unteren Zustände zu interagieren und zu zerstören, die Kohärenz mit der exponentiell durch die Streuung definiert. Dies wird in der Diskussion Abschnitt erläutert.
8. Nach dem Speichern und Laden, vorbei an der Sonde durch eine Filterzelle, um das Kontrollfeld aus dem Strahl zu berauben. Es ist möglich, eine Zelle mit einer natürlichen Mischung aus Rb verwenden. Die ⁸⁵ Rb dominiert und absorbiert stark bei der Kontrolle Strahlfrequenz und bietet 60 dB der Unterdrückung. Der Sondenstrahl wird gedämpft viel weniger, typischerweise 1,4 dB. Verwenden einer Zelle 75 mm lang, erhitzt auf 140 ° C.Eine Zelle mit isotopisch verbesserte ⁸⁵ Rb würde weniger Sonde Absorption führen.
9. Der letzte Schritt ist die Erfassung der Messpulse, mit einem Homodyn-oder Heterodyn-Detektion. Der Vorteil dieser Nachweisverfahren ist, dass es selektiv so Modus ein Reststeuerlicht nicht auf die Messungen auswirken. Das Echo hat eine (in der Nähe), die zirkulare Polarisation linear gemacht wird mit einem half-wave/quarter-wave Plattenkombination.
   1. Um den lokalen Oszillator zu erzeugen, abklopfen einen Teil des Strahls an BS4 und verschieben ihre Frequenz mit AOM4. Bewahren Sie das Signal von der homodyne oder Heterodyn-Setup mit einem schnellen Oszilloskop, löste in der LabVIEW-Steuerprogramms.

Results

1. Mit der Raman-Absorption als Diagnose-Tool

Das erste Ergebnis zu erhalten, ist eine Raman-Linie Absorption des Sondenlichtstrahl. Optimierung des Absorptionsmerkmal geht ein langer Weg zur Erreichung der besten Gedächtnisleistung. Bei ausgeschalteten magnetischen Gradienten-Spulen ausgeschaltet ist, kann die Steuerfrequenz in der Gegenwart einer schwachen Dauerwellensonde abgetastet werden. Die Absorption des Sondenstrahls ist direkt mit der optischen Dichte der Atomzelle zusammen. Auf dieser Basis kann die Temperatur der Zelle, Leistung des Steuerstrahls und Single-Photon-Verstimmung durch einen iterativen Prozess optimiert, um die bestmögliche Raman Absorption ergeben. Zu viel Kontrolle-Strahlleistung wird Absorption zu erhöhen, sondern auch erweitern die Breite der Linie. Wenn optimiert, ist in der Größenordnung von 100 kHz in unserem System die Breite.

Einschalten einer der Gradienten-Spulen wird die Raman-Linie zu erweitern. Die Breite des verbreiterten Absorptions abzuschreckenMinen die Bandbreite des Speichers. Ein Kompromiss muss dann zwischen der optischen Dichte, die Speichereffizienz betrifft, und Speicherbandbreite erfolgen. Die Sonde Getriebe ist für einen unserer verbreitert Raman-Linien in Abbildung 5, in dem die Speicherbandbreite auf etwa 1 MHz eingestellt gezeigt.

Einschalten der beiden magnetischen Gradientenspulen zur gleichen Zeit sollte die nonbroadened Absorptionslinienbreite wiederhergestellt werden. Jede Fehlanpassung in der Größenordnung oder räumliche Inhomogenität des Magnetfeldes direkt auf einer Verbreiterung und Verzerrung des Raman Absorptions reflektieren.

2. Pulse Lagerung

Die einfachste Konfiguration für den Speicher ist Einzelimpuls-und Auslagerung. Das wäre zum Beispiel die Speicherung einer Impulsdauer von 2 Mikrosekunden und Schalt die Magnet Gradientenspulen 3 Mikrosekunden nach der Impulsspitze, wie in Abbildung 6 dargestellt. Wenn die optische Dichte gering ist, etwas Licht leakaGE wird in Abhängigkeit von der optischen Dichte (OD) des Mediums beobachtet werden. Sorgfältige Abstimmung der Speicherparameter ist wichtig, um hohe Effizienz der Lagerung. Dies umfasst die Optimierung der Speicherzellentemperatur, die sorgfältige Ausrichtung zwischen der Sonde und dem Steuerfeld, Abstimmen der Intensität des Steuerstrahls, um den besten Kompromiss zwischen Absorption und Streuung zu finden, um die korrekte Polarisierung der Strahlen und die Abstimmung der Frequenzen die Sonde und Steuerbalken. Dieses Optimierungsverfahren ist weiter in der Diskussion Abschnitt erläutert. Wirkungsgrade von mehr als 80% für eine Lagerzeit von 4 us ²² kann erwartet werden, wenn alle diese Parameter sind gut abgestimmt werden. Die Effizienz des Speicher ist als das Verhältnis zwischen der Energie des aufgerufenen Echo und die Energie eines Impulses identisch, die in dem Speicher gespeichert worden ist definiert. Diese Faktoren effektiv die Wirkung der linearen Verluste, zum Beispiel aufgrund von Fresnel-Reflexionen auf den Oberflächen oder absorpt-Ionen in der Filterzelle. Bei Verwendung einer Überlagerungserfassung, wird die Energie der Impulse durch Quadrieren des Überlagerungssignals und die Messung der Flächen der Impuls Hüllkurven gemessen.

Die Frequenz und die Bandbreite der abgerufenen Impuls hängt vom Strom in den Gradientenspulen injiziert. Einfache Handhabung dieser Ströme ermöglicht die Feinsteuerung der abgerufenen Puls. Komplexere spektrale Manipulationen (wie in ²⁹ beschrieben) unter Verwendung eines erweiterten Spulenaufbau dem der Gradient entlang der Speicher als eine Funktion der Position und Zeit unabhängig abgestimmt werden geführt werden.

Fig. 1 ist. a) Die Höhe System im ⁸⁷ Rb D ₁ Zeile im Speicher eingesetzt. Die Sonde Raman-Licht absorbiert, um eine Wette zu erstellen Kohärenz schen der F = 1 und F = 2 Boden-Staaten. b) Das Magnetfeld-Gradienten gibt ortsabhängige Verstimmung der Boden-Staaten entlang der Länge der Zelle. Die Umkehrung der Steigung und Drehen der Steuerstrahl hast Abruf der gespeicherten Messlicht. (Aus [34] Angepasst). Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Abbildung 2. Schematische Darstellung eines optischen Modus Reiniger. Siehe Methodenteil für eine Beschreibung. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

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3. Schematische Darstellung des experimentellen Aufbaus AOM = akustisch-optischen Modulator;. EOM = elektro-optischen Modulator, BS = Strahlteiler; λ / 4 = Viertelwellenplatte. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

4. Eine typische Taktfolge für den Speicher. (Entnommen aus ^35). Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

5. Typische lagerten erweitert Raman-Linie, wenn einer der thE magnetische Gradienten-Spulen eingeschaltet ist. Die Daten (dünne durchgezogene Linie) wird mit Heterodyn-Messung durchgeführt. Die Oszillation ist aufgrund der Schwebung zwischen der Sonde Licht und lokalen Oszillator Licht. Die gestrichelte Kurve zeigt die Hüllkurve der Daten, die die Form der Raman-Linie verbreitert ist. (Geändert von ^25). Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

6. Typische mittlere Wirkungsgrad GEM Echo für kurze Lagerzeit. Die magnetischen Gradienten-Spulen sind bei t = 10 us (gestrichelte Linie). Rot: Eingangsimpulsintensitätsprofil. Blau: Intensität Ausgang des Speichers, was zeigt, zugespielt Licht (die unter der roten Eingangsimpuls deutlich wird) und erinnerte daran, Echo, das auf der rechten Seite erscheint ter gestrichelten Linie. Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Abbildung 7. Vierwellenmischungseffekt beim Scannen der Raman-Linie, für verschiedene Steuerfeld Kräfte und Zelltemperaturen. Für diese Figur nur die Polarisation des Steuerfeldes und Sondenstrahlen wurden so gewählt, dass sie den Effekt zu maximieren. Pc ist die Steuerung Strahlleistung. (Geändert von ^25). Klicken Sie hier für eine größere Ansicht .

Discussion

Eine notwendige Bedingung für hohe Speichereffizienz ist eine hohe OD [30]. Die OD des Λ-GEM ist proportional zu der Raman-Faktor Ω_c ² / Δ ^2, wobei Ω_c ist das Kopplungsfeld Rabi-Frequenz und Δ ist die Raman Verstimmung aus dem angeregten Zustand. Die spontane Raman-Streurate ebenfalls proportional zu der Raman-Faktor, und es ist daher ein Kompromiss zwischen dem Erreichen hoher Absorption und geringen Streuungsverlusten. Um die optimalen Einstellungen für die Steuerung der Feldstromversorgung, Verstimmung und Gastemperatur verwenden wir einen iterativen Prozess zu finden. Die Streuverluste können in einem gewissen Ausmaß durch Ausschalten des Steuerstrahls während der Lagerung vermindert werden, nachdem der Impuls vollständig absorbiert wird. Optische Tiefe wird durch den internen Zustand der Atome berührt. Idealerweise würden wir gerne so viele Atome wie möglich in der F = 1 Hyperfeinniveau haben, um die Absorption der Sonde zu erhöhen. Der Steuerstrahl spielt auch eine Rolle, wie sie Atome von F = 2 der Pumpe wirktF = 1-Werte. Dies ist nicht sehr effizient, aufgrund der Verstimmung, aber der Steuerstrahl ist stark und kann über lange Zeiträume zwischen den Impulsspeicher Experimente gelassen werden. Die Breite des Raman-Linie in unserem Experiment etwa 100 kHz, was hauptsächlich eine Folge der Strom Verbreiterung des Steuerfeldes verursacht. Dies entspricht fast der Rate, mit der Atome von F = 2 F = 1 Hyperfeinzustand gepumpt. Allerdings wird es einige Population links auf mf = 2 (oder -2 je nach dem Vorzeichen der Zirkularpolarisation) der Hyperfeinniveau F = 2 aufgrund der fehlenden optischen Übergänge erlaubt.

Die OD wird auch stark von der Temperatur der Zelle, der die Anzahl der Atome in der Gasphase bestimmt. Wir verwenden eine Temperatur von etwa 78 ° C, gemessen in der Mitte der Zelle. Uns ist aufgefallen, dass in unserer Zelle, die Erhöhung der Temperatur über 85 ° C können in einigen Absorption des Kontrollfeld sowie einige inkohärente Absorption von th führene-Probe-Signal. Der Heizer wird während des Versuchslauf umgeschaltet, um zu vermeiden, das magnetische Feld in der Zelle zu stören.

Polarisationen der beiden Fühler und Steuerfelder spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Absorption Effizienz des Speichers. Die D1 Übergangslinie von 87Rb hat zwei Hyperfein angeregten Zustände mit insgesamt 8 Zeeman-Unterniveaus. Prinzipiell ist die Wahl der zirkularen Polarisationen identisch sowohl für die Sonde und die Steuerfelder stellt sicher, dass sie nur mit dem angeregten Zustand Ebene mf = 2 (oder -2), F '= 2 interagieren. Die linearen oder elliptischen Polarisation des Laserfeldern verursachen Raman Kopplung über andere Zeeman-Unterniveaus F '= 1, 2. Dies wird in Verbreiterung und Asymmetrie in der Raman-Linienform führen, aufgrund der unterschiedlichen Kopplungskonstanten und AC-Stark-Verschiebungen der verschiedenen Übergänge. Leider kann identisch zirkular polarisierten Sonde und Steuerfelder, bevor der Speicher vorbereitet unterschiedlichen Polarisationsselbst r erlebenotations wie sie durch den Speicher fortpflanzen. Dieser Effekt wird mehr in der hohen OD Medien, die wir in unserem Experiment haben ausgeprägt. Dies bedeutet, daß die Feinabstimmung der Sonde und Steuerstrahlpolarisation ist notwendig, um die Auswirkungen der Selbstdrehung entgegenzuwirken.

Um die Sache noch komplizierter, kann ein Prozess entarteten Vierwellenmischung (FWM), manchmal beim Arbeiten mit großen OD ²⁵ gesehen werden. Dies kann dazu führen, Amplifikation und somit Rauschen zu dem Ausgangszustand der Speicher einzuführen. Insbesondere dann, wenn eine lineare Polarisation ist sowohl die Steuer-und Sondenstrahlen verwendet, die FWM-Effekt kann stark durch die Raman-Anregung durch mehrere angeregte Zustände verbessert werden. Die Bedingungen, unter denen die FWM-Prozess wird verstärkt oder in unserem System unterdrückt werden in Ref. ²⁵ zusammengefasst. Die Auswirkungen der FWM kann gemildert werden, indem wieder die Feinabstimmung der Polarisation der Sonde und Steuerbalken. Auf diese Weise kann FWM Prozesse zu dem Punkt, dass sie reduziert werden,nicht an den Lärm erinnerte Licht ²³ hinzufügen. In Bezug auf die FWM, ist es erwähnenswert, dass die beiden Hohlräume spielen eine wichtige Rolle bei der Unterdrückung der -6,8 GHz Seitenband durch die Fiber-Wahlbeobachtungsmission erzeugt, die ansonsten die FWM-Prozess Saatgut würde.

Sowohl Eigenrotation und FWM beeinflussen die Form der Raman-Linie erweitert. Nach der Feinabstimmung, kann man eine ziemlich symmetrische, etwa rechteckig geformte Absorptionsmerkmal zu erreichen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Dies steht im Gegensatz zu der in Fig. 7, wo Polarisationen wurden gewählt, um die Auswirkungen der FWM zeigen gezeigten Fall. Hier ist die Raman-Funktion ist stark asymmetrisch.

Wie bereits erwähnt, wurde eine natürliche Fülle Rb-Zelle verwendet, um die Steuerstrahl auswählen und übergeben die Sondenstrahl auf die Erfassungsabschnitt. Aufgrund der hohen Temperatur dieser Zelle, bemerkten wir, dass die Luftströme um die Zellenfenster führen Variation des Streifensichtbarkeits des Heterodyn-Detektion wiederBeratungs Schwankungen des Signals. Dieser Effekt wurde durch die Umsetzung der Heterodyndetektion unmittelbar nach der Filterzelle und die Reduzierung der Luftströme um die Zellenfenster mit geeigneten Ofen-Design minimiert. Wir beobachteten eine Sonde Verlust von ca. 30% durch die Filterzelle durch Fresnel-Reflexionen von den Fenstern und der Absorption von ⁸⁷ Rb-Atomen in der Filterzelle. Dieser Verlust kann durch die Verwendung potenziell Antireflexschichten auf den Zellenfenstern und mit reinem ⁸⁵ Rb statt eine natürliche Mischung aus Rb reduziert werden.

In einem warmen Gaszelle ist die Diffusion einer der wichtigsten Einschränkungen für die Lagerzeit. Nach der Absorption von Licht können Atome aus der kohärenten Region diffundieren, so teilweise das Löschen der gespeicherten Informationen. Zugabe eines Puffergases (0,5 Torr Kr, in unserem Experiment) reduziert den Effekt der Diffusion in einem gewissen Ausmaß. Zu viel Puffergas wird jedoch Kollisions erhöhen Erweiterung ^31. Dies erhöht DezemberOHÄRENZ und Steuerfelddämpfung, die die Effizienz des oben erwähnten Pump reduziert. Ein anderer Weg, um die Wirkung der Querdiffusion zu reduzieren, ist das Wechselwirkungsvolumen durch die Vergrößerung der Querprofile der Sonde und Steuerfelder zu erhöhen. Dieser Ansatz wird schließlich durch inelastische Kollisionen mit den Zellwänden begrenzt werden. In diesem Fall kann die Zellwände mit antirelaxation Materialien ^{32, 33} beschichtet werden, um eine elastische Kollisionen an den Wänden bereitzustellen und somit zur Verbesserung der Atomkohärenzzeit. Durch Minimierung der unelastischen Wand Kollision mit richtigen Wandbeschichtungen und die Erhöhung der Laserstrahlgröße nahezu abdecken Zellquerschnitt würde eine minimale Effekte von der Querdiffusion von der Lagerzeit zu erwarten. Längsdiffusions könnte dann der dominierende Effekt Dekohärenz bei langen Lagerzeiten. Längsdiffusion bewirkt, dass die Atome auf verschiedene Magnetfeldstärken während der Lagerung Zeit, die in reduzierter Reph führen kann, erlebenAsing Effizienz. Ein Weg, um die Diffusion zu steuern Längs wäre, eine Kaltatom Ensemble, wie Atome, die in einer magneto-optischen Falle (MOT) abgekühlt worden sind. Das aber erfordert eine ganz neue Schicht von experimentellen Komplexität bei der Steuerung kalten Atomwolke beteiligt. Dies ist ein System, das wir prüfen derzeit in unserem Labor ^36.

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
Titan-Saphir-Laser	M Squared Laser		SolsTiS
Digitales Oszilloskop	Lecroy		WaveRunner 44Xi-A
Speicherzelle	Triad Technology		20 cm lang, 87Rb erweitert, 0,5 Torr Kr Puffergas, AR-beschichtet
Filterzelle	Triad Technology		7,5 cm lang, natürliches Gemisch Rb, kein Puffergas
Faser EOM	EOSPACE		PM-0K5-10-PFA-UL
AOM	AA Opto-Elektronik		MT80-A1-IR
AOM Antriebskomponenten	Minischaltungen		Verstärker ZHL-1-2W
	Minicircuits		Mixer ZAD-6
	Agilent		80 MHz Signalquelle 33250A
Kavitäten			Maßgeschneiderter dreieckiger Ringhohlraum. FSR = 600 MHz, Finesse = 100, Flachspiegel (für Ein- und Ausgang) IBS-Beschichtung durch Advanced Thin Films. Rückspiegel ist 1 m ROC Newport Supermirror (R>99,97%)
Fotodioden	Hamamatsu		S3883
Stromschalter	elektronisches Design und Forschung		EDR83915/2 und EDR8276612