Gradient Echo Quantum Speicher in Warm Atomic Vapor

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Speicherung und der Abruf eines Lichtpulses in einem warmen Rubidiumdampf unter Verwendung von Magnetfeldgradienten. Dies wird erreicht, indem zunächst elektrooptische Modulatoren und optische Resonatoren verwendet werden, um Lichtstrahlen mit den Frequenzen zu erzeugen, die für die Ramen-Absorption im Rubidiumdampf erforderlich sind. Der zweite Schritt besteht darin, alle optischen Modulatoren zu verwenden, um die Pulse zu formen, die im Speicher gespeichert werden, sowie die Frequenz des Kontrollstrahls, der die Ramen-Absorption ermöglicht, fein abzustimmen.

Anschließend werden die Lichtimpulse in einer Rubidiumzelle gespeichert, deren Absorption durch einen longitudinalen Magnetfeldgradienten räumlich verbreitert wird. Der letzte Schritt besteht darin, den magnetischen Gradienten umzukehren, um die Entwicklung der atomaren Kohärenz umzukehren und so die gespeicherten Lichtpulse durch einen Photonen-Echo-Prozess abzurufen. Letztendlich wird die Ho-Moddy-Detektion verwendet, um die Eigenschaften des zurückgerufenen Photonenechos zu messen.

Der Hauptvorteil dieser Technik gegenüber unseren bestehenden Methoden besteht darin, dass sie die höchste nachgewiesene Effizienz aufweist. Die für eine Domäne einzigartige Natur des Speichers bedeutet, dass die Frequenzkomponente der Lichtimpulse entlang der Länge einer Gaszelle gespeichert werden kann. Der Speicher kann dann für die spektrale Manipulation eines gespeicherten Lichts verwendet werden.

Bereiten Sie sich auf das Experiment vor, indem Sie zwei Ringresonatoren individuell anfertigen. Wählen Sie einen Hohlzylinder aus Schüttaluminium für den Hohlraumabstandhalter. Dieser Zylinder ist etwa 25 Zentimeter lang.

Bereiten Sie zwei flache Spiegel mit identischem Reflexionsvermögen in den Endkappen vor und montieren Sie diese mit sorgfältiger Bearbeitung an einem Ende des Hohlraumabstandhalters. Die Spiegel müssen nicht verklebt werden.

Platzieren Sie dann einen O-Ring in einer Endkappe für das gegenüberliegende Ende des Kavitätenabstandshalters. Platzieren Sie einen gebogenen Spiegel mit maximalem Reflexionsvermögen auf dem O-Ring. Setzen Sie einen elektrischen Piso-Antrieb auf den Spiegel und montieren Sie die Endkappe auf den Hohlraumabstandhalter, drücken Sie die Elemente der Endkappe auf den Hohlraumabstandhalter, um eine schnelle Betätigung des Endspiegels zu ermöglichen.

Beginnen Sie nun mit der Arbeit am Speicherapparat. Verwenden Sie hier eine lange Zelle, 20 Zentimeter mit antireflexbeschichteten Fenstern, die isotopenverstärktes Rubidium 87 enthalten, zusammen mit 0,5 Tor Krypton-Puffergas, verwenden Sie eine Zelle, die den nichtmagnetischen Heizdraht für Experimente umwickelt. Die in diesem Schema grün dargestellte Speicherzelle wird von drei konzentrischen Magneten umschlossen.

Es gibt zwei identische innere Magnete mit variabler Steigung, die ein linear variierendes Magnetfeld erzeugen. Sie sind so montiert, dass sich die Farbverläufe der jeweiligen Felder gegenüberstehen. Durch das Umschalten zwischen den Magneten werden die Gradienten im atomaren Ensemble und die Wiederholung des optischen Impulses und der Abruf des Lichts aus dem Speicher umgekehrt.

Der dritte äußere Magnet erzeugt ein Gleichstrommagnetfeld, um die Entartung der XEOMIN-Pegel aufzuheben. Um die inneren Magnete herzustellen, verwenden Sie Simulationen, um die erforderliche Spirale mit variabler Steigung zu bestimmen und ihr Diagramm zu drucken. Wickeln Sie das Diagramm um ein PVC-Rohr, um eine Führung zum Aufwickeln des Drahtes bereitzustellen.

Die Coils sollten so ausgelegt sein, dass Kanteneffekte vermieden werden und meist Längsfelder vorhanden sind. Nach dem Umwickeln und Zusammenbauen der drei Magnete werden sie magnetisch mit zwei Schichten Mu-Metall abgeschirmt. Das Experiment verwendet einen Singlemode-Laser, der in der Nähe des Rubidiums D eine Linie bei 795 Nanometern abgestimmt ist.

Überwachen Sie die Frequenz, indem Sie einen Strahlteiler verwenden und einen Strahl durch eine beheizte Zelle strahlen, die ein natürliches Isotopenverhältnis von Rubidium enthält. Beobachten Sie die Streuung in der Nähe der Resonanz mit einer Kamera, bei der die Frequenz um etwa 1,5 Gigahertz über dem Übergang von F gleich zwei zu F gleich zwei liegt, um die ungefähre Frequenz des Steuerstrahls zu erhalten. Verwenden Sie anschließend entlang des Strahlengangs einen Strahlteiler, um einen Kontroll- und einen Sondenstrahl zu bilden.

Der Sondenstrahl setzt sich durch einen fasergekoppelten elektrooptischen Modulator und einen der Ringhohlräume fort. Verwenden Sie den fasergekoppelten elektrooptischen Modulator, der von einer 6,8-Gigahertz-Mikrowellenquelle angetrieben wird, um den Sondenstrahl von der Steuerung zu verstimmen. Eliminieren Sie Seitenbänder, indem Sie den Ringhohlraum an der Resonanz mit einem positiven Seitenband von 6,8 Gigahertz verriegeln.

Der nächste Strahlteiler lenkt den Strahl auf einen kuo-optischen Modulator, um eine feine Steuerung seiner Frequenz und Intensität zu ermöglichen. Der Modulator wird mit einem modulierten Gauß-Operator angetrieben, um einen feinen Lichtimpuls für die Speicherung in der Zelle zu erzeugen. Richten Sie den zu übertragenden Strahl durch einen zweiten Ringhohlraum.

Sperren Sie den Hohlraum auf die Frequenz des Probestrahls, indem Sie einen zusätzlichen Verriegelungsstrahl verwenden, der in den umgekehrten Modus des Hohlraums eingespritzt wird. Kombinieren Sie den Sondenstrahl und den Steuerstrahl am Ausgangsspiegel des Hohlraums, in dem der Steuerstrahl reflektiert wird. Bevor sie in die Speicherzelle eintreten, stellen Sie die rekombinierte Sonde und die Steuerstrahlen so ein, dass sie eine identische annähernd zirkulare Polarisation mit einer Viertelwellenplatte aufweisen. Entfernen Sie nach der Speicherzelle den Steuerstrahl von der Ausbreitung des Lichts mit einer Filterzelle, die mit einer natürlichen Mischung aus Rubidium bei 140 Grad Celsius gefüllt ist.

Verwenden Sie dann eine Wellenplatte des zweiten Viertels, um die Pro-Impulse in eine nahezu lineare Polarisation umzuwandeln. Bereiten Sie die Einrichtung der Moddy-Erkennung für den Prob-Strahl vor. Nach der Speicherzelle richten Sie einen Strahl auf einen dritten optischen Oko-Modulator, um dessen Frequenz zu verschieben und einen lokalen Oszillator für den Detektor bereitzustellen.

Verwenden Sie ein schnelles Oszilloskop, das vom Steuerungsprogramm ausgelöst wird, um das Signal für ein Experiment zu erfassen und zu speichern. Stellen Sie sicher, dass die Speicherzelle auf 80 Grad Celsius eingestellt ist, und stellen Sie die Leistung des Sondenstrahls ein. Starten Sie das computergesteuerte Skript für das Experiment.

Ein typischer Arbeitszyklus beträgt etwa 120 Mikrosekunden, wenn das Oszilloskop zu Beginn des Zyklus ausgelöst wird. Zu Beginn ist eine der inneren Spulen um die Speicherzelle an und die andere aus, was zu einem magnetischen Gradienten in eine Richtung führt. Nachdem ein Impuls des Prob-Strahls gespeichert wurde, kehren Sie den Gradienten um, um Licht aus dem Speicher abzurufen.

Schalten Sie die Gaszellenheizung während der Speicherzeit aus, um Interferenzen mit dem Speicherbetrieb zu vermeiden. Schalten Sie das Kontrolllicht aus, während das Licht im Speicher gespeichert ist, wenn möglich. Diese Abbildung zeigt eine typische heterodynverbreiterte Ramen-Linie, wenn eine der Gradientenmagnetspulen eingeschaltet wird.

Die dünne durchgezogene Linie zeigt Daten aus Heterodynmessungen. Die Schwingung ist auf die Schwebung zwischen dem Sondenlicht und dem lokalen Oszillatorlicht zurückzuführen. Die gestrichelte Kurve zeigt die Hüllkurve dieser Daten, die Form der verbreiterten Ramen-Linie.

Hier ist in diesem Diagramm ein typisches Echo-Speichersignal mit durchschnittlichem Wirkungsgrad und Gradient für kurze Speicherzeit dargestellt. Die rote Kurve zeigt das Intensitätsprofil des Eingangsimpulses und die blaue Kurve den Ausgang des Speichers. Die magnetischen Gradientenspulen wurden mit 10 Mikrosekunden geschaltet.

Das zurückgerufene Echo wird rechts von der gestrichelten Linie angezeigt. Die Intensität des Ausgangs ungleich Null vor dem Umschalten ist ein Hinweis auf Lichtaustritt. Dieser hocheffiziente Grading-Echo-Speicher kann für eine Vielzahl von Experimenten verwendet werden, z. B. für die Formung von Impulsen in Zeit, Frequenzraum und möglicherweise den Bau eines Quantenrepeaters.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hochleistungslasern extrem gefährlich sein kann. Tragen Sie bei diesem Vorgang immer eine Laserschutzbrille.