Gradient Echo קוונטית זיכרון בחם אטומי החמקן
11 בנובמבר 2013
זיכרון הד השיפוע הוא פרוטוקול לאחסון מצבים קוונטיים אופטיים של אור בהרכבים אטומיים. זיכרון קוונטים הוא מרכיב מפתח של מהדר קוונטים, אשר יכול להאריך את הטווח של הפצת מפתח קוונטים. אנו מתארים את הפעולה של התכנית כאשר מיושמים בהרכב אטומי 3 ברמה.
המטרה הכוללת של הליך זה היא אחסון והיזכרות של פולס אור באדי רובידיום חמים באמצעות שיפועי שדה מגנטי. זה מושג על ידי שימוש ראשון במודולטורים אלקטרו-אופטיים וחללים אופטיים ליצירת קרני אור בתדרים הנדרשים לספיגת ראמן באדי רובידיום. השלב השני הוא שימוש במודולטורים אופטיים כדי לעצב את הפולסים שיאוחסנו בזיכרון וכן לכוונן את תדר קרן הבקרה המאפשרת ספיגת ראמן.
לאחר מכן, פולסי האור מאוחסנים בתא רובידיום שספיגתו מורחבת מרחבית על ידי שיפוע שדה מגנטי אורכי. השלב האחרון הוא להפוך את השיפוע המגנטי כדי להפוך את האבולוציה של הקוהרנטיות האטומית, ובכך לזכור את פולסי האור המאוחסנים באמצעות תהליך הד פוטון. בסופו של דבר, זיהוי מודי משמש למדידת המאפיינים של הד הפוטון הנזכר.
היתרון העיקרי של טכניקה זו של השיטות הקיימות שלנו הוא שיש לה את היעילות המוכחת הגבוהה ביותר. הייחודיות לאופי התחום של הזיכרון פירושה שניתן לאחסן את מרכיב התדר של פולסי האור לאורך תא גז. לאחר מכן ניתן להשתמש בזיכרון למניפולציה ספקטרלית של אור אחסון.
התכוננו לניסוי על ידי ייצור מותאם אישית של שני מהודי טבעת. בחר גליל חלול של אלומיניום בתפזורת למרווח החלל. אורכו של גליל זה כ-25 סנטימטרים.
הכן שתי מראות שטוחות עם רפלקטיביות זהה במכסי קצה. התקן אותן בקצה אחד של מרווח החלל בעיבוד זהיר. אין צורך להדביק את המראות.
לאחר מכן, הנח טבעת O במכסה קצה לקצה הנגדי של מרווח החלל. הנח מראה מעוקלת עם רפלקטיביות מקסימלית על טבעת ה-O. הנח מפעיל חשמלי פיסו על המראה והתקן את מכסה הקצה על מרווח החלל, דחוס את האלמנטים של מכסה הקצה על מרווח החלל כדי לאפשר הפעלה מהירה של מראת הקצה.
עכשיו התחל לעבוד על מנגנון הזיכרון. השתמש כאן בתא ארוך, 20 סנטימטרים עם חלונות מצופים נגד השתקפות המכילים רובידיום 87 משופר איזוטופית, יחד עם 0.5 טור של גז חיץ קריפטון השתמש בתא שעטף את חוט החימום הלא מגנטי לניסויים. תא הזיכרון המתואר בירוק בסכימה זו יהיה עטוף בשלושה סולנואידים קונצנטריים.
ישנם שני סולנואידים פנימיים זהים עם גובה משתנה שנועדו ליצור שדה מגנטי משתנה ליניארית. הם מותקנים כך שהשיפועים של השדות המתאימים מנוגדים זה לזה. מעבר בין הסולנואידים הופך את השיפועים בהרכב האטומי ומאלץ את החזרת הפולס האופטי והיזכרות באור מהזיכרון.
הסולנואיד החיצוני השלישי יפיק שדה מגנטי DC כדי להעלות את הניוון של רמות ה-XEOMIN. כדי ליצור את הסולנואידים הפנימיים השתמש בסימולציות כדי לקבוע את ספירלת הגובה המשתנה הנדרשת ולהדפיס את העלילה שלה. עטפו את החלקה סביב צינור PVC כדי לספק מדריך לסלילת החוט.
הסלילים צריכים להיות מתוכננים כך שימנעו השפעות קצה ויהיו להם בעיקר שדות אורכיים. לאחר העטיפה וההרכבה של שלושת הסולנואידים מגנים עליהם מגנטית בשתי שכבות של מתכת מו. הניסוי משתמש בלייזר במצב יחיד המכוון ליד קו רובידיום D אחד ב-795 ננומטר.
עקוב אחר התדר באמצעות מפצל אלומה והקרנת קרן דרך תא מחומם המכיל יחס איזוטופי טבעי של רובידיום. התבונן בפיזור קרוב לתהודה באמצעות דיונת מצלמה, התדר בכ-1.5 ג'יגה-הרץ מעל F שווה שניים ל-F ראשוני שווה לשני מעברים כדי לקבל את התדר המשוער של אלומת הבקרה. לאחר מכן לאורך הנתיב האופטי, השתמש במפצל קרן כדי ליצור קרן בקרה וקרן בדיקה.
קרן הגשושית ממשיכה דרך מודולטור אלקטרו-אופטי מצומד סיבים ואחד מחללי הטבעת. השתמש במודולטור האלקטרו-אופטי המצמד לסיבים המונע על ידי מקור מיקרוגל של 6.8 ג'יגה-הרץ כדי לנתק את קרן הבדיקה מהבקרה. הסר רצועות צד על ידי נעילת חלל הטבעת על התהודה עם פס צד חיובי של 6.8 ג'יגה-הרץ.
מפצל האלומה הבא מכוון את קרן הבדיקה למודולטור אופטי של kuo כדי לאפשר שליטה עדינה על תדירותו ועוצמתו. המאפנן מונע עם גאוס מאופנן כדי לייצר פולס אור דק לאחסון בתא. כוון את קרן הבדיקה שתועבר דרך חלל טבעת שני.
נעל את החלל לתדר קרן הבדיקה באמצעות קרן נעילה עזר המוזרקת למצב הפוך של החלל. שלב מחדש את קרן הבדיקה ואת קרן הבקרה במראה הפלט של החלל שבו משתקפת קרן הבקרה לפני שהם נכנסים לתא הזיכרון, כוונן את אלומות הבדיקה והבקרה המשולבות מחדש כך שיהיו להן קיטוב מעגלי זהה בערך עם לוחית רבע גל. לאחר תא הזיכרון, הסר את קרן הבקרה מהתפשטות האור בעזרת תא פילטר מלא בתערובת טבעית של רובידיום ב-140 מעלות צלזיוס.
לאחר מכן השתמש בלוחית גל רבע שנייה כדי להמיר את פולסי הפרו לקיטוב כמעט ליניארי. הכן את מערך הזיהוי המודדי עבור קרן הבדיקה. לאחר תא הזיכרון, כוון קרן למאפנן אופטי שלישי של Oko כדי לשנות את התדר שלו ולספק מתנד מקומי לגלאי.
השתמש באוסילוסקופ מהיר המופעל על ידי תוכנית הבקרה כדי ללכוד ולאחסן את האות לניסוי. ודא שתא הזיכרון נמצא ב-80 מעלות צלזיוס והתאם את עוצמת אלומת הבדיקה. הפעל את קובץ ה- Script הנשלט על ידי המחשב עבור הניסוי.
מחזור עבודה טיפוסי הוא כ-120 מיקרו-שניות מפעיל את האוסילוסקופ בשלב מוקדם של המחזור. בתחילה, אחד הסלילים הפנימיים סביב תא הזיכרון מופעל והשני כבוי מה שמוביל לשיפוע מגנטי בכיוון אחד. לאחר אחסון פולס של קרן הבדיקה, הפוך את השיפוע כדי לזכור אור מהזיכרון.
כבה את מחמם תא הגז בזמן אחסון הזיכרון כדי למנוע הפרעה לפעולת הזיכרון. כבה את אלומת הבקרה בזמן שהאור מאוחסן בזיכרון במידת האפשר. איור זה מציג קו ראמן מורחב הטרודין טיפוסי כאשר אחד הסלילים המגנטיים של השיפוע מופעל.
הקו המוצק הדק מציג נתונים ממדידות הטרודין. התנודה נובעת מהפעימה בין אור הבדיקה לאור המתנד המקומי. העקומה המקווקו מציגה את המעטפת של נתונים אלה, את צורת קו הראמן המתרחב.
כאן, אות זיכרון הד שיפוע ממוצע טיפוסי לזמן אחסון קצר מוצג בתרשים זה. העקומה האדומה מציגה את פרופיל עוצמת דופק הקלט והעקומה הכחולה מציגה את פלט הזיכרון. סלילי השיפוע המגנטי הוחלפו ב-10 מיקרו-שניות.
ההד שנזכר מופיע מימין לקו המקווקו. העוצמה הלא-אפסית של היציאה לפני המתג היא עדות לדליפת אור. ניתן להשתמש בזיכרון הד דירוג ביעילות גבוהה זה למגוון ניסויים כגון עיצוב פולסים בזמן, מרחב תדרים ופוטנציאל לבניית משחזר קוונטי.
אל תשכח, עבודה עם לייזרים בעלי הספק גבוה עלולה להיות מסוכנת ביותר. הרכיבו תמיד משקפי בטיחות לייזר בעת ביצוע הליך זה.
סקירה כללית
מאמר זה דן בפרוטוקול זיכרון של הד עם מדרגה (gradient echo memory) לאחסון מצבים קוונטיים אופטיים במערכים אטומיים, ובמיוחד באדי rubidium חמים. טכניקה זו היא קריטית עבור מחזרים קוונטיים, והיא משפרת את הטווח של הפצת מפתחות קוונטית.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום המדע
- אופטיקה קוונטית
- פיזיקה אטומית
- מדע המידע הקוונטי
רקע
- זיכרון קוונטי חיוני עבור טכנולוגיות תקשורת קוונטית.
- שימוש באדי רובידיום נעשה בשל תכונותיהם האופטיות היטבות.
- למדרגי שדה מגנטי תפקיד קריטי בפעולת הזיכרון.
- הטכניקה שואפת להשיג יעילות גבוהה באחסון ובשליפה של אור.
מטרת המחקר
- להדגים את האחסון והשליפה של פולסי אור באמצעות פרוטוקול זיכרון של הד עם מפל (gradient echo memory).
- להתוות את המערך הניסיוני והנהלים להשגת תוצאות אופטימליות.
- להדגיש את היתרונות של שיטה זו על פני טכניקות קיימות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש במודולטורים אלקטרו-אופטיים ובחללי תהודה אופטיים להפקת אור.
- אגירה של פולסי אור בתא רובידיום בעל גרדיאנט שדה מגנטי.
- היפוך הגרדיאנט המגנטי לשחזור האור המאוגר באמצעות הד פוטונים.
- מדידת מאפייני האור המשוחזר באמצעות גילוי הומודיני.
תוצאות עיקריות
- הטכניקה הדגימה את היעילות הגבוהה ביותר לאגירת אור עד כה.
- הושגה שליפה מוצלחת של פולסי אור באמצעות מדרגי שדה מגנטי מבוקרים.
- מרכיבי תדר של פולסי אור נאגרו ומולאו ביעילות.
- המערך הניסיוני תוקף באמצעות בדיקות שיטתיות.
מסקנות
- פרוטוקול זיכרון הד הגרדיאנט הוא גישה מבטיחה ליישומי זיכרון קוונטי.
- אופטימיזציה נוספת של המערך הניסויי עשויה לשפר את הביצועים.
- שיטה זו עשויה להשפיע באופן משמעותי על עתידן של טכנולוגיות התקשורת הקוונטית.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
טכנולוגיות של זיכרון קוונטי, כגון זיכרון הד גרדיאנט (GEM), הן מאפשרות קריטיות עבור מחזרים קוונטיים (quantum repeaters), המרחיבים את הטווח של מערכות להפצת מפתחות קוונטית (QKD). התקדמות זו תומכת בתשתיות תקשורת מאובטחות הרלוונטיות להגנה על נתונים פרמצבטיים ורשתות מחקר שיתופיות. על ידי הדגמה של אחסון מצב אופטי ביעילות גבוהה באדי אטומים חמים, השיטה מציעה פלטפורמה ניתנת להרחבה ותואמת טמפרטורת חדר להערכה של חומרה קוונטית בשלבים מוקדמים.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר חקירה של מצבים קוונטיים פוטוניים כגששים ללימוד אינטראקציות אור-חומר במערכות ביולוגיות.
- ערך תפעולי: מספק מנגנון זיכרון הפיך לבקרה זמנית של אותות אופטיים במערכים ניסיוניים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מאפשר מניפולציה מדויקת של התדר ורוחב הפס של אור מאוחסן, ובכך תומך במערכי בדיקה אופטיים הניתנים לכיוונון.
- ערך תפעולי: משתמש בבליעה מורחבת מרחבית בתאי אדים כדי לאפשר אחסון מקבילי של רכיבים ספקטרליים, ובכך מגביר את יכולת הריבוי (multiplexing).
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך ברצף שבין גילויים באופטיקה קוונטית לבין פיתוח כלי דימות פרה-קליניים באמצעות יכולות של הזזת תדרים.
- ערך תפעולי: מאפשר זיקוק של פולסים אופטיים בתוך הזיכרון, ובכך מפחית את הצורך בחומרה חיצונית לעיצוב פולסים במחקרים אורך.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
פרוטוקול ה-GEM משתלב ברצף הגילוי על ידי אספקת אחסון של מצבים קוונטיים שיכול להתממשק עם מערכות חישוש ומדידה אופטיות המשמשות לתיקוף מטרות ולאופטימיזציה של בדיקות.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת השערות באמצעות אחסון ושליפה מבוקרים של פולסים אופטיים לבדיקת תהליכים ביולוגיים דינמיים.
- סריקה: מאפשר מוכנות של בדיקות באמצעות יצירה הדירה של הד פוטוני ומניפולציה ספקטרלית של אור מאוחסן.
- אנליטיקה: מספק קריאות גילוי הומודין כמותיות למדידת קוהרנטיות אופטית ונאמנות השליפה.
- מחקר תרגומי: מקשר להמשכיות פרה-קלינית באמצעות מניפולציית תדר שיכולה להתאימה לחלונות עירור ספציפיים לסממנים ביולוגיים.
- שימוש חוזר ארגוני: מייצג מודול זיכרון קוונטי הדיר שניתן להתאימו למספר פלטפורמות של ניסויים אופטיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: ביטחון ניבוי במניפולציה של מצבים אופטיים, הפחתת אי-ודאות בדקוהרנציה במערכות זיכרון.
- ערך תפעולי: סטנדרטיזציה באמצעות בקרת גרדיאנט מגנטי ויכולת הרחבה באמצעות אחסון ספקטרלי מרובה (multiplexed).
- ערך אסטרטגי: קבלת החלטות טובה יותר לגבי השקעות בחומרת קוונטום על ידי הדגמת אחסון אור ביעילות גבוהה.
- השפעה על הפורטפוליו: תיעדוף מותאם סיכון של פרויקטים בתקשורת קוונטית על בסיס ביצועי זיכרון מאומתים.
שיקולי יישום
- מומחיות באופטיקה קוונטית, פיזיקה אטומית ובקרת שדות מגנטיים.
- מכשור הכולל חללי תהודה טבעתיים (ring cavities), מודולטורים אלקטרו-אופטיים וסיכוך mu-metal.
- סטנדרטיזציה בין-צוותית של תזמון גרדיאנט מגנטי ופרוטוקולי קרן בקרה.
- שיקולי התאמה עבור גאומטריות שונות של תאי אדים והרכבים שונים של גז חיץ (buffer gas).
- מגבלות מעשיות הכוללות הגבר אופטי המושרה על ידי ערבוב ארבע גלים (four-wave mixing) ודליפה במהלך מרווחי אחסון.
