Gradient Echo Quantum Speicher in Warm Atomic Vapor

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht in der Speicherung und Rückholung eines Lichtpulses in einem warmen Rubidiumdampf unter Verwendung magnetischer Feldgradienten. Dies wird zunächst erreicht, indem elektrooptische Modulatoren und optische Resonatoren genutzt werden, um Lichtstrahlen mit den für die Ramen-Absorption in Rubidiumdampf erforderlichen Frequenzen zu erzeugen. Der zweite Schritt besteht darin, akustooptische Modulatoren zu verwenden, um die Pulse zu formen, die im Speicher abgelegt werden sollen, sowie um die Frequenz des Steuerstrahls, der die Ramen-Absorption ermöglicht, feinabzustimmen.

Anschließend werden die Lichtpulse in einer Rubidiumzelle gespeichert, deren Absorption durch einen longitudinalen magnetischen Feldgradienten 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 zurückzuholen. Letztendlich wird eine Heterodyndetektion verwendet, um die Eigenschaften des zurückgerufenen Photonen-Echos zu messen.

Der Hauptvorteil dieser Technik im Vergleich zu unseren bestehenden Methoden liegt in ihrer höchsten nachgewiesenen Effizienz. Die für einen Bereich einzigartige Natur des Speichers bedeutet, dass die Frequenzkomponente der Lichtpulse entlang der Länge einer Gaszelle gespeichert werden kann. Der Speicher kann dann zur spektralen Manipulation eines gespeicherten Lichts verwendet werden.

Bereiten Sie das Experiment vor, indem Sie zwei Ringresonatoren individuell anfertigen. Wählen Sie einen Hohlzylinder aus massivem Aluminium als Kavitätsabstandshalter. Dieser Zylinder ist etwa 25 Zentimeter lang.

Bereiten Sie zwei flache Spiegel mit identischer Reflektivität in den Endkappen vor. Befestigen Sie diese an einem Ende des Resonatorabstandhalters mit sorgfältiger Bearbeitung. Die Spiegel müssen nicht verklebt werden.

Platzieren Sie anschließend einen O-Ring in eine Endkappe für das gegenüberliegende Ende des Hohlraumabstandshalters. Setzen Sie einen gekrümmten Spiegel mit maximaler Reflektivität auf den O-Ring. Bringen Sie einen piezoelektrischen Aktuator auf dem Spiegel an und montieren Sie die Endkappe am Hohlraumabstandshalter, um die Komponenten der Endkappe auf den Hohlraumabstandshalter zu pressen und eine schnelle Justierung des Endspiegels zu ermöglichen.

Beginnen Sie nun mit der Arbeit an der Speichervorrichtung. Verwenden Sie hierfür eine lange Zelle mit einer Länge von 20 Zentimetern, die mit entspiegelten Fenstern ausgestattet ist und isotopisch angereichertes Rubidium-87 sowie 0,5 Tor Krypton-Puffergas enthält. Nutzen Sie eine Zelle, die mit einem nichtmagnetischen Heizdraht umwickelt ist, für die Experimente. Die in diesem Schema grün dargestellte Speicherzelle wird in drei konzentrische Spulen eingehüllt sein.

Es gibt zwei identische innere Zylinderspulen mit variabler Windungsdichte, die so ausgelegt sind, dass sie ein linear veränderliches magnetisches Feld erzeugen. Sie sind derart montiert, dass die Gradienten der jeweiligen Felder einander entgegenwirken. Der Wechsel zwischen den Zylinderspulen kehrt die Gradienten im atomaren Ensemble um und bewirkt die Rephasierung des optischen Pulses sowie die Rückholung des Lichts aus dem Speicher.

Die dritte äußere Zylinderspule erzeugt ein magnetisches Gleichfeld, um die Entartung der XEOMIN-Niveaus aufzuheben. Verwenden Sie für die inneren Zylinderspulen Simulationen, um die erforderliche spiralförmige Wicklung mit variabler Steigung zu bestimmen, und drucken Sie deren Darstellung aus. Wickeln Sie die Darstellung um ein PVC-Rohr, um eine Führung für das Aufwickeln des Drahtes zu erhalten.

Die Spulen sollten so ausgelegt werden, dass Randeffekte vermieden werden und überwiegend longitudinale Felder entstehen. Nach dem Wickeln und Zusammenbauen der drei Zylinderspulen schirmen Sie diese magnetisch mit zwei Schichten Mu-Metall ab. Für das Experiment wird ein Einzelmodus-Laser verwendet, der nahe der Rubidium-D₁-Linie bei 795 Nanometern abgestimmt ist.

Überwachen Sie die Frequenz, indem Sie einen Strahlteiler verwenden und einen Strahl durch eine beheizte Zelle leiten, die Rubidium im natürlichen Isotopenverhältnis enthält. Beobachten Sie die Streuung nahe der Resonanz mithilfe einer Kamera, indem Sie die Frequenz um etwa 1,5 Gigahertz über der F gleich zwei zu F Strich gleich zwei-Übergangszone einstellen, um die ungefähre Frequenz des Kontrollstrahls zu erhalten. Verwenden Sie anschließend entlang des optischen Pfads einen Strahlteiler, um einen Kontroll- und einen Probestrahl zu erzeugen.

Der Abtaststrahl durchläuft weiter einen fasergekoppelten elektrooptischen Modulator und einen der Ringresonatoren. Nutzen Sie den fasergekoppelten elektrooptischen Modulator, der von einer 6,8-Gigahertz-Mikrowellenquelle angesteuert wird, um den Abtaststrahl gegenüber dem Steuerstrahl zu verstimmen. Unterdrücken Sie Nebenmaxima, indem Sie den Ringresonator auf Resonanz mit einem positiven 6,8-Gigahertz-Seitenband einregeln.

Der nächste Strahlteiler leitet den Probstrahl zu einem akustooptischen Modulator, um eine feine Steuerung seiner Frequenz und Intensität zu ermöglichen. Der Modulator wird mit einem modulierten Gauß-Signal angesteuert, um einen kurzzeitigen Lichtpuls für die Speicherung in der Zelle zu erzeugen. Leiten Sie den Probstrahl so, dass er durch einen zweiten Ringresonator transmittiert wird.

Verriegeln Sie den Hohlraum an die Frequenz des Probstrahls, indem Sie einen Hilfsverriegelungsstrahl in den Rückwärtsmodus des Hohlraums einleiten. Kombinieren Sie den Probstrahl und den Steuerstrahl am Ausgangsspiegel des Hohlraums erneut, wobei der Steuerstrahl reflektiert wird. Bevor sie die Speicherzelle erreichen, stellen Sie mithilfe einer Viertelwellenplatte sicher, dass die wieder vereinigten Prob- und Steuerstrahlen nahezu identische, annähernd zirkulare Polarisation aufweisen. Entfernen Sie nach der Speicherzelle den Steuerstrahl aus dem propagierenden Licht mit einer Filterzelle, die mit einer natürlichen Mischung von Rubidium bei 140 Grad Celsius gefüllt ist.

Verwenden Sie dann eine zweite Viertelwellenplatte, um die Pro-Impulse in nahezu lineare Polarisation zu konvertieren. Bereiten Sie den Aufbau für die homodynische Detektion des Probstrahls vor. Leiten Sie nach der Speicherzelle einen Strahl zu einem dritten Oko-Optikmodulator, um dessen Frequenz zu verschieben und einen lokalen Oszillator für den Detektor bereitzustellen.

Verwenden Sie ein schnelles Oszilloskop, das durch das Steuerprogramm ausgelöst wird, um das Signal für ein Experiment zu erfassen und zu speichern. Stellen Sie sicher, dass die Speicherzelle bei 80 Grad Celsius liegt, und passen Sie die Leistung des Messstrahls an. Starten Sie das computergesteuerte Skript für das Experiment.

Ein typischer Tastgrad beträgt etwa 120 Mikrosekunden, um das Oszilloskop früh im Zyklus auszulösen. Zunächst ist eine der inneren Spulen um die Speicherzelle eingeschaltet und die andere ausgeschaltet, was zu einem magnetischen Gradienten in eine Richtung führt. Nachdem ein Puls des Probierstrahls gespeichert wurde, kehren Sie den Gradienten um, um Licht aus dem Speicher abzurufen.

Schalten Sie den Gaszellenheizer während der Speicherzeit aus, um Störungen des Speicherbetriebs zu vermeiden. Schalten Sie den Kontrollstrahl ab, während das Licht im Speicher gehalten wird, falls möglich. Diese Abbildung zeigt eine typische heterodyne verbreiterte Raman-Linie, wenn eine der magnetischen Gradientenspulen eingeschaltet ist.

Die dünne durchgezogene Linie zeigt Daten von Heterodyn-Messungen. Die Oszillation beruht auf dem Schwebungseffekt zwischen dem Messlicht und dem lokalen Oszillatorlicht. Die gestrichelte Kurve zeigt die Einhüllende dieser Daten, die Form der verbreiterten Raman-Linie.

Hier ist in diesem Diagramm ein typisches durchschnittliches Effizienzsignal eines Gradientenecho-Speichers für kurze Speicherzeiten dargestellt. Die rote Kurve zeigt das Intensitätsprofil des Eingangsimpulses, die blaue Kurve das Ausgangssignal des Speichers. Die magnetischen Gradientenspulen wurden nach 10 Mikrosekunden geschaltet.

Das zurückgerufene Echo erscheint rechts der gestrichelten Linie. Die von null verschiedene Intensität des Ausgangssignals vor dem Umschalten ist ein Hinweis auf Lichtleckage. Dieser hoch effiziente Grating-Echo-Speicher kann für eine Vielzahl von Experimenten verwendet werden, beispielsweise zur Impulsformung in der Zeit, im Frequenzraum und potenziell zum Aufbau eines Quantenrepeaters.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Hochleistungslasern äußerst gefährlich sein kann. Tragen Sie beim Durchführen dieses Verfahrens stets Laserschutzbrillen.