Name: Gradient Echo Quantum Memoria in Warm Atomic Vapor (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-11T19:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: Scopri il protocollo di memoria gradient echo per immagazzinare stati quantistici ottici in vapore di rubidio caldo. Questo metodo offre l'efficienza più elevata dimostrata per la memorizzazione della luce.

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La ricerca è sostenuta dal Centro Australian Research Council of Excellence per Quantum Computation and Communication Technology, numero di progetto CE110001027.

1. Alcuni elementi custom-built <ol><li> Risonatori ad anello In questo esperimento, due risonatori ad anello che dividono e uniscono le travi di diverse frequenze sono obbligatori. Il disegno della cavità è mostrato in fig. 2. <ol><li> Costruire i risonatori intorno a un cilindro scavato di alluminio di massa. Su un&#39;estremità, montare due specchi piani con riflettività identici. Sul lato opposto montare uno specchio massimo di riflettività curvo. Gli specchi non devono essere incollati alla cavità distanziale. Con un&#39;attenta lavorazione del distanziatore, le testate sono sufficienti per tenerli in luogo. </li><li> Combinare lo specchio curvo con un attuatore O-ring e piezoelettrico per consentire il controllo della frequenza di risonanza della cavità. Posizionare l&#39;o-ring tra lo specchio e la cavità distanziale, con il piezo dietro lo specchio. Comprimere questi elementi sul distanziale cavità con il tappo terminale per consentire rapido azionamento dello specchio fisso. La combinazione di compressione O-ringe piezo ad alta velocità in genere consentono di larghezze di banda di controllo superiori a 10 kHz. Nota: Per questo esempio, i distanziali sono lunghi circa 25 centimetri. Questa lunghezza è arbitraria, anche se dovrebbe essere scelto in modo che il controllo e la luce sonda non sono coresonant, il che significa che il splitting iperfine non deve essere un multiplo del-gamma spettrale libera. A causa della geometria del ring, la cavità avrà modi di polarizzazione non degeneri di diversa finezza. Gli specchi rivestiti personalizzati sono specificati per fornire una cavità di finezza circa 1.000 per s-polarizzata luce, che porta ad una finezza di circa 100 per la luce p-polarizzata. Mentre questi esperimenti sono in genere condotti sulla modalità a basso-finesse, la configurazione potrebbe facilmente essere commutato in modalità high-finesse dovrebbe essere tenuta più forte il filtraggio dei raggi. </li></ol></li><li> Progettazione della cella di memoria e la sua sede <ol><li> Per costruire l&#39;apparato memoria, utilizzare una cella lunga che contiene isotopi migliorato 87 Rb along con 0,5 Torr di gas tampone Kr. Nella configurazione, la lunghezza è di 20 cm. Le finestre della cella sono rivestite antiriflesso. Questa cella deve essere riscaldato a circa 80 ° C con un filo di riscaldamento magnetico. </li><li> Racchiudere la cella in tre solenoidi concentrici. I due magneti interni creano i gradienti di campo magnetico. Per avvolgere questi solenoidi, effettuare una simulazione utilizzando l&#39;equazione di Biot-Savart. Simulare il solenoide a passo variabile che fornirà un campo magnetico variabile linearmente. </li><li> Utilizzando un programma di grafica, stampare una trama di questa spirale su un pezzo di carta. Avvolgere la carta intorno ad un tubo in PVC per fornire una linea da seguire e avvolgere il filo sul tubo. Nota: In questa configurazione le bobine sono 50 cm di lunghezza, oltre il doppio della lunghezza della cella di gas, per evitare effetti di bordo. I diametri sono 6 e 10 cm, che è due volte il diametro della cellula, per garantire i campi magnetici sono prevalentemente longitudinale. I solenoidi pendenza si oppongono a vicenda in modo that commutazione tra loro passa il segno del gradiente (vedi fig. 3). In un esperimento tipico, 2-3 A di corrente è gestito attraverso queste bobine e le bobine sono collegati in 3-4 msec. </li><li> Per ottimizzare il tempo di commutazione e di stop oscillazioni usano 200 Ω resistenze di smorzamento in serie con le bobine. Posizionare questi due solenoidi all&#39;interno della terza bobina normalmente ferita che viene utilizzato per fornire un campo magnetico CC per sollevare la degenerazione dei livelli Zeeman. Rubidio ha uno spostamento di circa 1,4 MHz / G di campo magnetico 26. Un tipico campo DC è 6 G, mentre i gradienti sarebbero 2 G / m. </li><li> Posizionare due strati di schermatura μ-metallo attorno alle tre bobine magnetiche per ridurre l&#39;influenza del campo magnetico terrestre sul esperimento. </li></ol></li></ol> 2. Disposizione del percorso ottico del fascio <ol><li> Utilizzare un singolo laser modalità sintonizzato vicino al rubidio D 1 linea a 795 nm. Monitorare la frequenzadel laser con una misurazione di assorbimento saturo, come mostrato nella Figura 3. Detune la frequenza di circa 1,5 GHz sopra la F = 2 a F &#39;= 2 transizione. Questa sarà la frequenza approssimativa del fascio di controllo. </li><li> Al BS2 beamsplitter, toccare po &#39;di luce fuori il laser principale per formare il fascio di controllo. Cambi la sua frequenza utilizzando il modulatore AOM1 acustoottico. Questo permette anche AOM modulazione della potenza del fascio di controllo. Per guidare l&#39;AOM, passare l&#39;uscita di una sorgente di segnale RF attraverso un interruttore che è controllato da un segnale TTL e quindi amplificare il segnale prima di inviarlo nella AOM. Per sintonizzare la frequenza di controllo, per ottimizzare l&#39;assorbimento Raman per esempio, cambiando la frequenza di azionamento di questa AOM. La frequenza di azionamento RF delle AOMs nel setup è 80 MHz, ma questo è arbitraria. </li><li> Detune il fascio sonda, che verrà memorizzato nella memoria quantistica, da 6,8 GHz dal fascio di controllo, questa frequenza essendo stato splitting iperfine di terra87 Rb. Per preparare questa frequenza, passare il laser attraverso un modulatore elettro-ottico accoppiato in fibra che viene pilotato da un generatore di microonde 6,8 GHz. Questo genera una serie di bande laterali in armoniche di 6,8 GHz, sopra e sotto la frequenza portante. </li><li> Per ottenere un fascio sonda con una frequenza pura, separare il +6. 8 GHz luce da tutte le altre bande laterali di modulazione indesiderati. Per effettuare questa operazione, utilizzare uno dei cavità ad anello. Blocco 1 cavità sulla risonanza con il +6. 8 GHz banda laterale. Questa frequenza sarà poi trasmessa attraverso il risonatore, mentre tutte le altre frequenze sono riflessi, preparando così una frequenza pura che affronterà la F = 1 stato fondamentale degli atomi di rubidio. La cavità può essere bloccato mediante la tecnica di Pound-Drever-Hall 27], utilizzando la luce riflessa dallo specchio di ingresso. </li><li> Rubinetto chiuso una parte del fascio laser a BS3 e inviarlo attraverso AOM2 per consentire un controllo preciso della frequenza e intensità del fascio sonda. Cisono un paio di metodi disponibili per guidare l&#39;AOM. Ad esempio, utilizzare un generatore di segnale programmabile impostato per generare impulsi gaussiana modulati a 80 MHz. In alternativa, combinare un segnale continuo 80 MHz con un impulso ad un mixer RF che invia un impulso modulata a 80 MHz. Ad ogni modo, questo gaussiana modulata viene poi amplificato e trasmesso in AOM per dare un impulso di luce in un ordine diffratta della AOM. Nota: Questo ordine diffratta fornirà impulsi finemente controllate di luce che possono essere memorizzati nella memoria. L&#39;ampiezza degli impulsi può essere regolato utilizzando una combinazione della potenza motrice AOM e variando il rapporto di splittaggio di BS1. Questo permette la produzione affidabile di una vasta gamma di ampiezze di impulso, e in particolare, consente la produzione di impulsi molto deboli con numeri di fotoni medi inferiori a 1 23. </li><li> Lo stadio successivo è quello di ricombinare le travi sonda e di controllo. Questo potrebbe essere fatto con un semplice separatore di fascio, ma che significherebbe perdere una parte della luce.Se la polarizzazione della sonda e controllo erano ortogonale poi ricombinazione lossless potrebbe essere realizzato utilizzando un divisore di fascio polarizzante, ma la memoria può solo veramente essere ottimizzato mediante controllo indipendente della sonda e controllo polarizzazioni. <ol><li> Per raggiungere questo obiettivo, utilizzare un secondo, ad alta efficienza, impedenza corrispondenza, anello cavità. Impostare una cavità in modo che il fascio sonda viene trasmessa attraverso, mentre il campo di controllo viene riflessa dallo specchio di uscita. Trasmissione della sonda attraverso questo secondo risonatore fornisce anche un secondo strato di filtraggio in frequenza, che consente di evitare problemi con four-wave mixing. </li><li> Bloccare questa cavità alla frequenza del fascio sonda utilizzando un fascio ausiliario di bloccaggio (linea tratteggiata) che viene iniettato nella modalità inversa della cavità. Tune questa trave ad una frequenza differente, polarizzazione e modalità spaziale del fascio sonda in modo che possa essere rilevato sulla riflessione senza danneggiare il fascio sonda. La ragione di questo sforzo è cheè diabolicamente difficile usare la bassa potenza, fascio sonda pulsato per bloccare la cavità. I raggi di controllo e sonda sono collimati prima cella di memoria a 7 mm e 3 mm formati, rispettivamente. </li><li> La potenza di campo controllo prima cella di memoria è ~ 270 mW e sonda di alimentazione può essere scelto da zero a qualche microwatts seconda corsa esperimento. Utilizzando una lamina a quarto d&#39;onda, regolare la polarizzazione dei fasci combinato sonda e controllo per essere (approssimativamente) circolare e della stessa elicità. Li Iniettare nell&#39;apparecchio cella di gas di memoria. </li></ol></li><li> Controllare la temporizzazione di tutti gli elementi del esperimento utilizzando un programma LabVIEW 28. Un tipico ciclo di lavoro sarebbe di 120 msec. Spegnere la stufa durante il tempo di memoria per evitare interferenze con il funzionamento della memoria. Una sequenza di temporizzazione tipica è mostrato in Figura 4. Quando possibile, passare il fascio fuori controllo mentre la luce viene memorizzato nella memoria. In una cella di gas caldo, sebbene thtransizione e Raman viene intonata dallo stato eccitato oltre la larghezza Doppler, il campo di controllo può ancora essere una fonte significativa di decoerenza in memoria a causa della probabilità non nulla dello scattering Raman spontaneo. Il scattering Raman è direttamente proporzionale alla potenza campo di controllo e inversamente al quadrato detuning. Se il campo di controllo viene mantenuto durante l&#39;intero tempo di immagazzinamento, può interagire con i due stati inferiori e distruggere la coerenza con il tasso esponenziale definito dalla dispersione. Questo è spiegato ulteriormente nella sezione di discussione. </li><li> Dopo memorizzazione e richiamo, passare la sonda attraverso una cella filtrante per togliere il campo di controllo del fascio. E &#39;possibile utilizzare una cella con una miscela naturale di Rb. Il 85 Rb domina e assorbe fortemente alla frequenza del fascio di controllo, che fornisce 60 dB di soppressione. Il fascio sonda viene attenuato molto meno, tipicamente 1,4 dB. Utilizzare una cella 75 millimetri lungo, riscaldato a 140 ° C.Una cella con isotopi migliorata 85 Rb porterebbe ad un minor assorbimento sonda. </li><li> Il passo finale è il rilevamento degli impulsi di sonda, usando un omodina o eterodina rilevamento. Il vantaggio di questo metodo di rilevamento è che è modalità selettiva così luce controllo residuo non influirà sulle misurazioni. L&#39;eco ha una polarizzazione (quasi) circolare che viene fatta lineare utilizzando una combinazione di piastra half-wave/quarter-wave. <ol><li> Per produrre l&#39;oscillatore locale, toccare fuori una parte del fascio a BS4 e spostare la sua frequenza mediante AOM4. Conservare il segnale dal setup omodina o eterodina utilizzando un oscilloscopio veloce, innescato al programma di controllo di LabVIEW. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari in competizione.

Una condizione necessaria per un rendimento elevato memoria è un OD elevata [30]. L&#39;OD di Λ-GEM è proporzionale al fattore Raman Ω_c 2 / Δ 2, dove Ω_c è la frequenza Rabi campo accoppiamento e Δ è detuning Raman dallo stato eccitato. Il tasso di scattering Raman spontaneo è anche proporzionale al fattore Raman e non vi è quindi un trade-off tra il conseguimento di assorbimento e basse perdite di scattering. Per trovare le impostazioni ottimali per la temperatura di potenza, detuning e gas campo di controllo usiamo un processo iterativo. Le perdite di scattering possono essere alquanto mitigato spegnendo il fascio di controllo durante la conservazione, dopo l&#39;impulso viene completamente assorbito. Spessore ottico è anche influenzato dallo stato interno degli atomi. Idealmente vorremmo avere come molti atomi possibili nel livello hyperfine F = 1 per aumentare l&#39;assorbimento della sonda. Il fascio di controllo svolge un ruolo anche qui in quanto agisce per pompare atomi dalla F = 2F = 1 livelli. Questo non è molto efficiente, a causa del detuning, ma il fascio di controllo è potente e può essere lasciato acceso per lunghi periodi di tempo tra esperimenti stoccaggio impulsi. La larghezza della linea Raman nel nostro esperimento è di circa 100 kHz, che è principalmente un risultato di allargamento potenza causato dal campo di controllo. Ciò corrisponde quasi alla velocità con cui gli atomi vengono pompati dalla F = 2 allo stato F = 1 iperfine. Tuttavia ci sarà una certa popolazione lasciato sul mf = 2 (o -2 seconda del segno della polarizzazione circolare) di livello iperfine F = 2 per la mancanza di transizioni ottiche consentiti. La DO dipenderà anche fortemente dalla temperatura della cella, che determina il numero di atomi in fase gassosa. Usiamo una temperatura di circa 78 ° C, misurata al centro della cella. Abbiamo notato che nella nostra cella, aumentando la temperatura oltre 85 ° C può provocare un certo assorbimento del campo di controllo così come alcuni assorbimento incoerente di thsegnale e sonda. Il riscaldatore è spento durante la prova sperimentale per non disturbare il campo magnetico all&#39;interno della cellula. Polarizzazioni di entrambi i campi sonda e controllo giocano un ruolo cruciale nella efficienza di assorbimento della memoria. La linea di transizione D1 del 87Rb ha due stati eccitati iperfini con un totale di 8 sottolivelli Zeeman. In linea di principio, la scelta di polarizzazioni circolari identici sia per la sonda ei campi di controllo assicura che interagiscono solo con il livello stato eccitato mf = 2 (o -2), F &#39;= 2. Le polarizzazioni lineari o ellittiche dei campi laser provocano accoppiamento Raman via altri sottolivelli Zeeman di F &#39;= 1, 2. Ciò comporterà ampliamento e asimmetria nella forma linea Raman, a causa delle diverse costanti di accoppiamento e ac Stark spostamenti delle varie transizioni. Purtroppo, campi di sonde e di controllo polarizzata identico circolari preparati prima che la memoria possono sperimentare diverse polarizzazione di auto-rotations come si propagano attraverso la memoria. Questo effetto è più pronunciato nei media OD alti, che abbiamo nel nostro esperimento. Ciò significa che la messa a punto di sonda e controllo del fascio di polarizzazione è necessaria per contrastare l&#39;impatto di auto-rotazione. A complicare ulteriormente le cose, un processo degenerato di miscelazione a quattro onde (FWM) a volte può essere visto quando si lavora con grande OD 25. Ciò può causare amplificazione e di conseguenza introdurre rumore allo stato di uscita della memoria. In particolare, quando la polarizzazione lineare viene utilizzato sia per il controllo e travi sonda, l&#39;effetto FWM può essere notevolmente migliorata a causa della eccitazione Raman attraverso molteplici stati eccitati. Le condizioni in cui il processo di FWM si sia migliorata o soppresso nel nostro sistema sono riassunti nella Rif. ​​25. L&#39;impatto di FWM può essere attenuato, ancora una volta, messa a punto la polarizzazione dei fasci sonda e di controllo. In questo modo, i processi di FWM possono essere ridotti al punto che fannonon aggiungere rumore al richiamato luce 23. Per quanto riguarda FWM, vale la pena notare che entrambe le cavità hanno un ruolo importante nel sopprimere la -6.8 GHz banda laterale generata dal Fiber-missione che altrimenti inizializzare il processo FWM. Sia auto-rotazione e FWM influenzano la forma della linea Raman ampliato. Dopo la messa a punto, si può ottenere una caratteristica del tutto simmetrica, approssimativamente rettangolare a forma di assorbimento come mostrato in Figura 5. Ciò contrasta con il caso mostrato in figura 7, dove sono stati scelti polarizzazioni per dimostrare l&#39;impatto di FWM. Qui la funzione Raman è altamente asimmetrica. Come accennato in precedenza, una cella Rb abbondanza naturale è stato usato per filtrare il fascio di controllo e passare il fascio sonda alla sezione di rivelazione. A causa della elevata temperatura di questa cella, abbiamo notato che le correnti d&#39;aria intorno alle finestre della cella causano variazione della visibilità frangia del rilevamento eterodina, risulting fluttuazioni del segnale. Questo effetto è stato minimizzato implementando il rilevamento eterodina subito dopo la cella filtrante e ridurre le correnti d&#39;aria intorno alle finestre della cella utilizzando un&#39;adeguata progettazione forno. Abbiamo osservato una perdita sonda di circa il 30% attraverso la cella filtrante, a causa di Fresnel riflessi dalle finestre e all&#39;assorbimento da 87 atomi di Rb nella cella filtrante. Questa perdita può potenzialmente essere ridotto utilizzando rivestimenti antiriflesso sulle finestre della cella e utilizzando puro 85 Rb invece di una miscela naturale di Rb. In una cella di vapore caldo, diffusione è una delle principali limitazioni al tempo di stoccaggio. Dopo assorbire la luce, atomi possono diffondere fuori della regione coerente, così parzialmente cancellando le informazioni memorizzate. Aggiunta di un gas tampone (0,5 Torr Kr, nel nostro esperimento) riduce l&#39;effetto di diffusione in una certa misura. Gas tampone Troppo, però, aumenterà collisionale ampliando 31. Questo aumenta dicembreOERENZA e controllo assorbimento campo, che riduce l&#39;efficienza del pompaggio di cui sopra. Un altro modo per ridurre l&#39;effetto di diffusione trasversale è quello di aumentare il volume di interazione allargando i profili trasversali dei campi sonda e controllo. Questo approccio finirà limitato da urti anelastici con le pareti cellulari. In questo caso, le pareti cellulari possono essere rivestite con materiali antirelaxation 32, 33, per fornire collisioni elastiche sulle pareti e quindi migliorare il tempo di coerenza atomico. Minimizzando la collisione anelastica parete utilizzando rivestimenti adeguati e aumentando le dimensioni del fascio laser a coprire quasi la sezione trasversale cella, ci si aspetterebbe effetti minimi dalla diffusione trasversale sul tempo di conservazione. Diffusione longitudinale potrebbe allora diventare l&#39;effetto di decoerenza dominante in tempi di conservazione lunghi. Diffusione longitudinale fa sì che gli atomi di sperimentare diversi punti di forza del campo magnetico durante la fase di stoccaggio che può portare a reph ridottaefficienza Asing. Un modo per controllare la diffusione longitudinale sarebbe quella di utilizzare un insieme atomico freddo, come atomi che sono stati raffreddati in una trappola magneto-ottica (MOT). Che, tuttavia, richiede un nuovo livello intero di complessità sperimentale coinvolti nel controllo fredda nube atomica. Questo è un sistema che stiamo valutando nel nostro laboratorio 36.

Una delle sfide più importanti che affrontano la tecnologia dell&#39;informazione quantistica è la capacità di costruire una memoria per gli stati quantistici. Per fotonica computazione quantistica 1, o un ripetitore quantistico utilizzato in un sistema di distribuzione di chiavi quantistiche 2, questo significa costruire una memoria capace di immagazzinare stati quantistici di luce 3. Uno degli approcci adottati per raggiungere questo scopo è quello di utilizzare insiemi di atomi che possono essere controllati in modo da memorizzare e poi rilasciare controllabile luce in un momento successivo. Sono state sviluppate numerose tecniche tra cui la trasparenza elettromagneticamente indotta (EIT) 4, la frequenza pettine atomico (AFC) 5, 6, 7, four-wave mixing (FWM) 8, assorbimento Raman 9, interazione Faraday 10 e fotoni tecniche eco 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, ​​19. Il focus di questo articolo è Λ - Gradient Echo Memory (Λ-GEM), che funziona con treMezzi atomici strutturati a livello di &#39;Λ&#39;. Inizialmente è stato implementato in una cella di vapore Rb caldo nel 2008 20. Questo schema è stato usato come una memoria ad accesso casuale per impulsi di luce, 21, ha una efficienza dimostrata alto come 87% 22, fornisce stoccaggio silenzioso di stati quantistici 23 e mostra qualche promessa come piattaforma per operazioni ottici non lineari 24. Abbiamo anche recentemente pubblicato un documento che va in qualche dettaglio circa l&#39;interazione di questa memoria con il caldo vapore atomico 25. L&#39;essenza della tecnica è che si sta preparando un insieme di atomi che disomogeneamente ampliata in modo che gli atomi assorbono un impulso di luce. Nel nostro esperimento usiamo assorbimento Raman, come mostrato in figura 1a. La luce sonda, che deve essere memorizzata, sarà mappato sulla coerenza tra due stati fondamentali degli atomi. L&#39;allargamento è fornita applicando un campo magnetico gradient lungo la direzione di propagazione ottica, inducendo un gradiente spaziale nelle frequenze di assorbimento Raman, come mostrato in Figura 1b. Le diverse componenti di frequenza del polso memorizzati vengono quindi mappati a differenti posizioni spaziali linearmente lungo la lunghezza del complesso atomico. In altre parole, il profilo spaziale dell&#39;onda di spin atomico generato dall&#39;assorbimento dell&#39;impulso d&#39;ingresso è proporzionale alla trasformata di Fourier del profilo temporale dell&#39;impulso d&#39;ingresso. Come ci illustrerà più avanti, è questo gradiente frequenza che consente anche alcune delle interessanti funzionalità di elaborazione spettrali di questa memoria. Invertendo il gradiente di campo, l&#39;evoluzione della coerenza dell&#39;insieme atomico può essere tempo invertito. Questo consente di ricavare dell&#39;impulso di luce.

<table><tbody><tr><td>Laser al titanio-zaffiro</td><td>Laser quadrati M</td><td>SolsTiS</td><td></td></tr><tr><td>Oscilloscopio digitale</td><td>Lecroy</td><td></td><td>WaveRunner 44Xi-A</td></tr><tr><td>Cella di memoria</td><td>Tecnologia</td><td></td> a terna <td>20 cm di lunghezza, 87Rb potenziato, 0,5 Torr Kr gas tampone, AR-rivestito</td></tr><tr><td>Tecnologia a celle filtranti</td><td>Triade</td><td></td><td>7,5 cm di lunghezza, miscela naturale Rb, senza gas</td></tr> <tr><td>tamponeFibra EOM</td><td>EOSPACE</td><td></td><td>PM-0K5-10-PFA-UL</td></tr><tr><td>AOM</td><td>AA Opto-Electronic</td><td></td><td>MT80-A1-IR</td></tr><tr><td>AOM componenti di azionamento</td><td>Minicircuiti</td><td></td><td>Amplificatore ZHL-1-2W</td></tr><tr><td></td><td>Minicircuiti</td><td></td><td>Mixer ZAD-6</td></tr><tr><td></td><td>Agilent</td><td></td><td>80 MHz sorgente di segnale 33250A</td></tr><tr><td>Cavità</td><td></td><td></td><td>Cavità dell'anello triangolare su misura. FSR = 600 MHz, Finesse = 100. Specchi piatti (per ingresso e uscita) Rivestimento IBS di Advanced Thin Films. Lo specchio posteriore è 1 m ROC Newport Supermirror (R>99,97%)</td></tr><tr><td>Fotodiodi</td><td>Hamamatsu</td><td></td><td>S3883</td></tr><tr><td>Interruttori di corrente</td><td>Progettazione elettronica e ricerca</td><td></td><td>EDR83915/2 e EDR8276612</td></tr></tbody></table>

gradient echo quantum memoria in warm atomic vapor

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradient memoria echo (GEM) è un protocollo per la memorizzazione di stati quantistici ottici di luce in gruppi atomici. La motivazione principale di tale tecnologia è che la distribuzione quantistica chiavi (QKD), che utilizza Heisenberg incertezza per garantire la sicurezza delle chiavi crittografiche, si limita a distanza di trasmissione. Lo sviluppo di un ripetitore quantistico è un possibile percorso per estendere la portata QKD, ma un ripetitore avrà bisogno di una memoria quantistica. Nei nostri esperimenti si usa un gas di rubidio 87 vapore che è contenuto in una cella di gas caldo. Questo rende il sistema particolarmente semplice. E &#39;anche uno schema altamente versatile che consente in memoria raffinatezza dello stato memorizzato, come spostamento di frequenza e manipolazione di banda. La base del protocollo GEM è quello di assorbire la luce in un insieme di atomi che è stato preparato in un gradiente di campo magnetico. L&#39;inversione di questo gradiente porta alla rifasamento della polarizzazione atomica e quindi richiamo dello stato ottica memorizzato. We illustrerà come si sta preparando gli atomi e questo gradiente e anche descrivere alcune delle insidie ​​che devono essere evitati, in particolare miscelazione a quattro onde, che può dar luogo a guadagno ottico.

1. Utilizzando l&#39;assorbimento Raman come strumento diagnostico Il primo risultato di ottenere un assorbimento linea Raman del fascio di luce sonda. Ottimizzazione di questa funzione di assorbimento va un lungo cammino verso il raggiungimento della migliore performance della memoria. Con le bobine di gradiente magnetici spenti, la frequenza di comando può essere interrogato in presenza di un debole onda sonda continua. L&#39;assorbimento del fascio sonda è direttamente correlata alla densità ottica della cella atomica. Sulla base di ciò, la temperatura della cella, potenza del fascio di controllo e singolo fotone Detuning può essere ottimizzata attraverso un processo iterativo per dare la migliore possibile assorbimento Raman. Troppo potere di controllo del fascio aumenta l&#39;assorbimento, ma anche di aumentare l&#39;ampiezza della linea. Quando ottimizzata, la larghezza è dell&#39;ordine di 100 kHz nel nostro sistema. Accensione una delle bobine di gradiente amplierà la linea Raman. La larghezza dell&#39;assorbimento ampliato scoraggiaremine la larghezza di banda della memoria. Un compromesso deve poi essere fatta tra densità ottica, che colpisce efficienza della memoria, e la larghezza di banda di memoria. La trasmissione sonda è indicato per una delle nostre linee Raman ampliando in Figura 5, in cui la larghezza di banda di memoria è impostata a circa 1 MHz. Accensione entrambe le bobine di gradiente magnetici Allo stesso tempo, la larghezza di riga di assorbimento nonbroadened dovrebbe essere recuperato. Eventuali disallineamenti nella grandezza attuale o disomogeneità spaziale dei campi magnetici rifletterà direttamente su un ampliamento e distorsione dell&#39;assorbimento Raman. 2. Stoccaggio Pulse La configurazione più semplice per la memoria è singolo impulso stoccaggio e recupero. Sarebbe, per esempio, la memorizzazione di impulsi di durata 2 msec e la commutazione delle bobine di gradiente magnetiche 3 msec dopo il picco di impulso, come illustrato nella Figura 6. Se la densità ottica è bassa, alcuni leaka lucege sarà osservato a seconda della densità ottica (OD) del mezzo. Messa a punto con attenzione i parametri della memoria è fondamentale per l&#39;ottenimento di storage ad alta efficienza. Ciò include l&#39;ottimizzazione della temperatura della cella di memoria, l&#39;allineamento preciso tra la sonda e il campo di controllo, sintonizzare l&#39;intensità del fascio di controllo per trovare il miglior compromesso tra assorbimento e diffusione, assicurando la corretta polarizzazione dei fasci e sintonizzare le frequenze di le travi sonda e controllo. Questo metodo di ottimizzazione è ulteriormente spiegato nella sezione di discussione. Efficienze superiori all&#39;80% per un periodo di 4 psec 22 archiviazione si può aspettare quando tutti questi parametri sono sintonizzati bene. L&#39;efficienza di stoccaggio è definito come il rapporto tra l&#39;energia dell&#39;eco richiamato e l&#39;energia di un impulso identico che non è stato memorizzato nella memoria. Questo Fattori efficacemente l&#39;effetto delle perdite lineari, per esempio a causa di riflessioni Fresnel sulle superfici o absorption nella cella di filtraggio. Quando si utilizza un rilevamento eterodina, l&#39;energia degli impulsi viene misurata elevando al quadrato il segnale eterodina e misurare le aree di buste di un impulso. La frequenza e la banda dell&#39;impulso recuperato dipende dalla corrente iniettata nelle bobine di gradiente. Semplice manipolazione di queste correnti consente la messa a punto del polso recuperato. Manipolazioni spettrali più complesse (come quelle descritte in 29) può essere fatto utilizzando una configurazione bobina più avanzata in cui il gradiente lungo la memoria può essere regolato in funzione della posizione e del tempo in modo indipendente. <img alt="Figura 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig1.jpg" width="500px" /> Figura 1. a) Il regime livello entro il 87 Rb D 1 linea utilizzata nella memoria. La luce sonda viene assorbito Raman per creare una puntata coerenza<html> ween F = 1 e F = 2 PT stati. b) Il gradiente di campo magnetico dà detuning spazialmente dipendente del terreno-stato lungo la lunghezza della cella. Inversione del gradiente e ruotando il raggio di controllo, otterrai il richiamo della luce sonda memorizzato. (Adattato da [34]). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig1highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere l&#39;immagine ingrandita</a> . <img alt="Figura 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig2.jpg" width="500px" /> Figura 2. Schema di un pulitore modo ottico. Consultare la sezione Metodi per la descrizione. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig2highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere l&#39;immagine ingrandita</a> . ig3.jpg &quot;width =&quot; 500px &quot;/&gt; Figura 3. Schema del setup sperimentale AOM = acustoottico modulatore;. EOM = modulatore elettro-ottico; BS = beamsplitter; λ / 4 = piastra quarto d&#39;onda. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig3highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere l&#39;immagine ingrandita</a> . <img alt="Figura 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig4.jpg" width="500px" /> Figura 4. Una sequenza temporale tipica per la memoria. (Tratto da 35). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig4highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere l&#39;immagine ingrandita</a> . <img alt="Figura 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig5.jpg" width="500px" /> Figura 5. Heterodyned tipica ampliato la linea Raman, quando uno dei the bobine di gradiente magnetico è acceso. I dati (sottile linea continua) è presa con la misura eterodina. L&#39;oscillazione è dovuta al battimento tra la luce e la luce sonda oscillatore locale. La curva tratteggiata mostra l&#39;inviluppo di questi dati, che è la forma della linea Raman ampliato. (Modificata da 25). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig5highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere l&#39;immagine ingrandita</a> . <img alt="Figura 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig6.jpg" width="500px" /> Figura 6. Media-efficienza tipica echo GEM per il tempo di conservazione breve. Le bobine di gradiente magnetiche sono accesi a t = 10 msec (linea tratteggiata). Rosso: Ingresso profilo di intensità degli impulsi. Blu: uscita intensità della memoria, dimostrando la fuoriuscita di luce (che risulta sotto l&#39;impulso di ingresso rosso) e ricordato eco, che appare a destra di tegli linea tratteggiata. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig6highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere l&#39;immagine ingrandita</a> . <img alt="Figura 7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig7.jpg" width="500px" /> Figura 7. Four-wave mixing effetto, durante la scansione della linea Raman, per varie potenze campo di controllo e temperature delle celle. Per questa figura solo, le polarizzazioni del campo di controllo e travi sonda sono stati scelti in modo da massimizzare l&#39;effetto. Pc è la potenza del fascio di controllo. (Modificata da 25). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig7highres.jpg" target="_blank">Clicca qui per vedere l&#39;immagine ingrandita</a> .

La memoria eco di gradiente è un protocollo per la memorizzazione di stati quantistici ottici di luce in gruppi atomici. Memoria quantistica è un elemento chiave di un ripetitore quantistico, in grado di ampliare la gamma di distribuzione quantistica delle chiavi. Abbiamo delineare il funzionamento del sistema quando viene implementato in un 3-livello complesso atomico.

Gradient Echo Quantum Memoria in Warm Atomic Vapor

Gradient  echo memory (GEM) is a protocol for storing optical quantum states of light in  atomic ensembles. The primary motivation for such a technology ...

L'obiettivo generale di questa procedura è la memorizzazione e il recupero di un impulso luminoso in un vapore caldo di rubidio utilizzando gradienti di campo magnetico. Questo risultato si ottiene innanzitutto impiegando modulatori elettro-ottici e cavità ottiche per generare fasci di luce alle frequenze necessarie per l'assorbimento ramen nel vapore di rubidio. Il secondo passaggio consiste nell'utilizzare modulatori ottici per modulare gli impulsi che verranno memorizzati e per regolare con precisione la frequenza del fascio di controllo che abilita l'assorbimento ramen.Successivamente, gli impulsi di luce vengono immagazzinati in una cella di rubidio la cui assorbimento è allargato spazialmente da un gradiente di campo magnetico longitudinale. L'ultimo passaggio consiste nell'invertire il gradiente magnetico per invertire l'evoluzione della coerenza atomica, richiamando così gli impulsi di luce immagazzinati attraverso un processo di eco fotonica. Infine, viene utilizzata la rilevazione ho moddy per misurare le caratteristiche dell'eco fotonica richiamata.Il principale vantaggio di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti è che presenta l'efficienza dimostrata più elevata. La natura unica per un dominio della memoria consente di immagazzinare la componente in frequenza degli impulsi luminosi lungo tutta la lunghezza di una cella gassosa. La memoria può quindi essere utilizzata per la manipolazione spettrale di una luce immagazzinata.Prepararsi per l'esperimento realizzando personalizzatamente due risonatori ad anello. Selezionare un cilindro cavo in alluminio massiccio come distanziatore della cavità. Questo cilindro ha una lunghezza di circa 25 centimetri.Preparare due specchi piani con identica riflettività alle estremità. Montare questi specchi su un'estremità dello spaziatore della cavità con lavorazione accurata. Non è necessario incollare gli specchi.Successivamente, posizionare un anello O in un tappo terminale per l'estremità opposta dello spaziatore della cavità. Posizionare uno specchio curvo a riflettività massima sull'anello O. Applicare un attuatore elettrico piso sullo specchio e montare il tappo terminale sullo spaziatore della cavità, comprimendo gli elementi del tappo terminale sullo spaziatore per consentire un'attuazione rapida dello specchio terminale.Ora iniziare a lavorare sull'apparato della memoria. Utilizzare qui una cella lunga, di 20 centimetri, con finestre rivestite antiriflesso contenenti rubidio 87 arricchito isotopicamente, insieme a 0,5 torr di gas tampone cripto; usare una cella avvolta con filo riscaldante non magnetico per gli esperimenti. La cella di memoria raffigurata in verde in questo schema sarà racchiusa in tre solenoidi concentrici.Sono presenti due solenoidi interni identici con un passo variabile progettati per creare un campo magnetico linearmente variabile. Essi sono montati in modo che i gradienti dei rispettivi campi si oppongano tra loro. L'alternanza tra i solenoidi inverte i gradienti nell'insieme atomico e induce il ripristino della fase dell'impulso ottico e il richiamo della luce dalla memoria.Il terzo solenoide esterno produrrà un campo magnetico in corrente continua per rimuovere la degenerazione dei livelli XEOMIN. Per realizzare i solenoidi interni, utilizzare simulazioni per determinare la spirale a passo variabile richiesta e stamparne il grafico. Avvolgere il grafico attorno a un tubo in PVC per fornire una guida per avvolgere il filo.Le bobine devono essere progettate per evitare gli effetti di bordo e per generare principalmente campi longitudinali. Dopo aver avvolto e assemblato i tre solenoidi, schermarli magneticamente con due strati di mu-metal. L'esperimento utilizza un laser a singola modalità sintonizzato vicino alla riga D1 del Rubidio a 795 nanometri.Monitorare la frequenza utilizzando un divisore di fascio e inviando un raggio attraverso una cella riscaldata contenente rubidio in rapporto isotopico naturale. Osservare la dispersione in prossimità della risonanza usando una telecamera, regolando la frequenza di circa 1,5 gigahertz al di sopra della transizione da F uguale a due a F' uguale a due, per ottenere la frequenza approssimativa del fascio di controllo. Successivamente lungo il percorso ottico, utilizzare un divisore di fascio per generare un fascio di controllo e un fascio sonda.Il fascio sonda prosegue attraverso un modulatore elettro-ottico accoppiato alla fibra e attraverso una delle cavità ad anello. Utilizzare il modulatore elettro-ottico accoppiato alla fibra, pilotato da una sorgente microonde di 6,8 gigahertz, per desintonizzare il fascio sonda rispetto al fascio di controllo. Eliminare le bande laterali bloccando la cavità ad anello sulla risonanza con una banda laterale positiva a 6,8 gigahertz.Il prossimo divisore di traiettoria indirizza il fascio sonda a un modulatore ottico kuo per consentire un controllo fine della sua frequenza e intensità. Il modulatore è pilotato con una gaussiana modulata per produrre un impulso di luce ben definito da immagazzinare nella cella. Indirizzare il fascio sonda in modo che attraversi una seconda cavità ad anello.Bloccare la cavità alla frequenza del fascio sonda utilizzando un fascio ausiliario di bloccaggio iniettato nella modalità inversa della cavità. Ricombinare il fascio sonda e il fascio di controllo al livello dello specchio di uscita della cavità, dove il fascio di controllo viene riflesso. Prima che i fasci entrino nella cella di memoria, regolare i fasci sonda e di controllo ricombinati in modo che abbiano una polarizzazione circolare pressoché identica, utilizzando una piastra a quarto d'onda. Dopo la cella di memoria, rimuovere il fascio di controllo dalla luce in propagazione mediante una cella filtro riempita con una miscela naturale di rubidio a 140 gradi Celsius.Quindi utilizzare una seconda lamina quarto d'onda per convertire gli impulsi pro in una polarizzazione quasi lineare. Preparare l'allestimento di rilevamento ho moddy per il fascio di prova. Dopo la cella di memoria, indirizzare un fascio verso un terzo modulatore ottico Oko per spostarne la frequenza e fornire un oscillatore locale per il rilevatore.Utilizzare un oscilloscopio veloce attivato dal programma di controllo per acquisire e memorizzare il segnale relativo a un esperimento. Assicurarsi che la cella di memoria sia a 80 gradi Celsius e regolare la potenza del fascio sonda. Avviare lo script controllato dal computer per l'esperimento.Un ciclo di lavoro tipico è di circa 120 microsecondi per attivare l'oscilloscopio all'inizio del ciclo. Inizialmente, una delle bobine interne attorno alla cella di memoria è accesa e l'altra è spenta, generando un gradiente magnetico in una direzione. Dopo che un impulso del fascio sonda è stato memorizzato, invertire il gradiente per richiamare la luce dalla memoria.Disattivare il riscaldatore della cella del gas durante il tempo di memorizzazione per evitare interferenze con il funzionamento della memoria. Spegnere il fascio di controllo mentre la luce è immagazzinata nella memoria, se possibile. Questa figura mostra una tipica riga Raman allargata in eterodina quando una delle bobine magnetiche a gradiente viene attivata.La linea sottile continua mostra i dati ottenuti da misurazioni eterodine. L'oscillazione è dovuta al battimento tra la luce di prova e la luce dell'oscillatore locale. La curva tratteggiata mostra l'inviluppo di questi dati, la forma della riga Raman allargata.Qui viene mostrato un tipico segnale medio di memoria a eco di gradiente di efficienza per un tempo di memorizzazione breve. La curva rossa mostra il profilo di intensità dell'impulso in ingresso e la curva blu mostra l'uscita della memoria. Le bobine del gradiente magnetico sono state commutate a 10 microsecondi.L'eco richiamato appare a destra della linea tratteggiata. L'intensità non nulla dell'uscita prima dell'interruttore costituisce una prova della perdita di luce. Questa memoria d'eco a reticolo ad alta efficienza può essere utilizzata per una varietà di esperimenti, come la modulazione di impulsi nel tempo, nello spazio delle frequenze e potenzialmente nella realizzazione di un ripetitore quantistico.Non dimenticare che lavorare con laser ad alta potenza può essere estremamente pericoloso. Indossare sempre occhiali di protezione per laser durante l'esecuzione di questa procedura.

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Sub-nanometrica Resolution Imaging con modulazione di ampiezza in microscopia a forza atomica in Liquid

Presentiamo un metodo di guida parametrica per raffreddare un gas di Fermi ultrafreddo in una trappola di dipolo ottico a fascio incrociato. Questo metodo rimuove selettivamente gli atomi ad alta energia dalla trappola modulando periodicamente la profondità della trappola con frequenze che risuonano con le componenti anarmoniche del potenziale di intrappolamento.

Raffreddamento un otticamente Intrappolato ultrafreddi Fermi gas da guida periodica

Questa carta presenta una metodologia di microfabbricazione per superficie trappole ioniche, nonché una dettagliata procedura sperimentale per gli ioni di itterbio di intrappolamento in un ambiente di temperatura.

Metodi sperimentali per intrappolare gli ioni utilizzando microfabbricati trappole ioniche in superficie

I circuiti quantici integrati (QIC) costituiti da una serie di giunzioni planari e balistiche di Josephson (JJ) basate su In0.75Ga0.25Come gas elettronico bidimensionale (2DEG) è dimostrato. Due diversi metodi per la fabbricazione dei JJ bidimensionali (2D) e dei QIC sono discussi seguiti dalla dimostrazione delle misurazioni del trasporto quantistico a temperature sotto Kelvin.

Circuiti integrati quantistici scalabili sulla piattaforma di gas elettronico a due dimensioni superconduttori

Presentato qui è un metodo per misurare la birefringence delle finestre a vuoto massimizzando i conteggi di fluorescenza emessi da Doppler raffreddato 25Mg - ioni in una trappola ioni. La birifringenza delle finestre a vuoto cambierà gli stati di polarizzazione del laser, che possono essere compensati cambiando gli angoli azimuthal delle piastre d'onda esterne.

In Situ Misurazione della Finestra a vuoto Birefringence utilizzando 25Mg- Fluorescenza

Si descrive la preparazione di punti quantici colloidali con minimizzata dimensione idrodinamica per singola molecola imaging di fluorescenza. Rispetto ai tradizionali punti quantici, queste nanoparticelle sono di dimensioni simili alle proteine ​​globulari e sono ottimizzati per singola molecola luminosità, stabilità contro la fotodegradazione, e resistenza al legame non specifico a proteine ​​e cellule.

Compact Quantum Dots per singola molecola Imaging

Scopri il protocollo di memoria gradient echo per immagazzinare stati quantistici ottici in vapore di rubidio caldo. Questo metodo offre l'efficienza più elevata dimostrata per la memorizzazione della luce.

Gradient Echo Quantum Memoria in Warm Atomic Vapor

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