Name: 暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-11T19:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: 学ぶ勾配エコー量子メモリの手法。電気光学変調器と光学共振器を用いて光パルスを生成し、磁場勾配を制御したルビジウム蒸気セルで光を蓄積・再呼び出しします。ホモダイン検出で特性を測定し、量子通信技術への応用が期待されます。

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研究は量子計算のための優秀オーストラリア研究会議センターと通信技術、プロジェクト番号のCE110001027でサポートされています。

1。いくつかのカスタム構築された要素<ol><li> リング共振器 この実験では、分割され、異なる周波数の光を組み合わせるつのリング共振器が必要とされる。空洞の設計は、図に示されている。 2。 <ol><li>バルクのアルミニウムの中空円筒の周りの共振器を構築する。一端には、同一の反​​射率を持つ2つの平面ミラーをマウントします。反対側の端に最大反射曲面ミラーをマウントします。ミラーは、共振器スペーサーに接着する必要はありません。スペーサーを慎重に加工して、エンドキャップは、場所でそれらを保持するのに十分である。 </li><li>空洞共振周波数の制御を可能にするためにO-リングと圧電アクチュエータと曲面ミラーを組み合わせる。ミラーの後ろのピエゾで、ミラーと共振器スペーサーの間にOリングを配置します。エンドミラーを高速に作動可能にするために、エンドキャップとの共振器スペーサー上にこれらの要素を圧縮します。 O-リング圧縮の組み合わせ高速ピエゾは、典型的には10kHzを超える帯域幅の制御を可能にする。 注：この例では、スペーサは約25cmの長さである。制御およびプローブ光は超微細分割は自由スペクトル範囲の倍数であってはならないことを意味し、coresonantないようにそれを選択しなければならないが、この長さは、任意である。によりリング形状に、空洞が異なるフィネスの非縮退偏光モードを持つことになります。カスタムコーティングされたミラーは、p偏光のための約100のフィネスにつながるS偏光、1000のまわりフィネスのキャビティを提供するために指定されています。これらの実験は、通常、低フィネスモードで行われている間にビームの強力なフィルタリングが必要とされるべきで、セットアップが容易で、高フィネスモードに切り替えることができた。 </li></ol></li><li> メモリセルの設計とそのハウジング <ol><li>記憶装置を構築するには、同位体的に強化された87 RbのAlを含む長い細胞を使用Krのバッファガスの0.5トルとオング。セットアップでは、長さは20cmで。セルの窓は、反射防止コーティングされている。このセルは、非磁 ​​性の電熱線を用いて約80℃に加熱しなければならない。 </li><li> 3つの同心ソレノイドのセルを包む。 2インナーソレノイドは磁場勾配を作成します。これらのソレノイドを巻き、ビオ·サバールの式を用いてシミュレーションを行う。直線的に変化する磁場を提供する可変ピッチのソレノイドをシミュレートします。 </li><li>グラフ作成プログラムを使用して、一枚の紙の上に、このスパイラルのプロットをプリントアウト。パイプにワイヤーに従うと風に行を提供するために、塩ビ管の周りに紙をラップします。 注：このセットアップではコイルはエッジ効果を回避するために、ガスセルの長さの2倍の上に、長さ50cmである。直径は、磁場がほとんど長手あることを確認するために、二回細胞の直径である、6から10cmである。勾配ソレノイドは股関節ように、互いに対向それらの間の切り替えtは（ 図3参照）の勾配の符号を切り替える。典型的な実験では、電流の2〜3 Aは、これらのコイルを介して実行され、コイルは、3〜4マイクロ秒で切り替えられる。 </li><li>スイッチング時間を最適化し、停止する振動は、コイルと直列に200Ωダンピング抵抗を使用しています。ゼーマンレベルの縮退を持ち上げるために直流磁界を提供するために使用されている第三正常に巻かれたコイルの内側に、これら2つのソレノイドを配置します。ルビジウムは、磁場26の約1.4 MHzの/ Gのシフトを有する。勾配が2 G / Mであろうが、一般的なDC場は、6 gである。 </li><li>実験上の地球の磁場の影響を低減するために3つの磁気コイルの周囲μ-金属シールドの2つの層を配置する。 </li></ol></li></ol> 2。光ビームの経路のレイアウト <ol><li> 795 nmでのルビジウムのD 1線付近にチューニングシングルモードレーザーを使用してください。周波数を監視図3に示すように、飽和吸収測定を用いたレーザである。 = 2の遷移からF = 2、F &#39;より約1.5ギガヘルツで周波数をデチューン。これは、制御光のおおよその周波数になります。 </li><li>ビームスプリッタBS2では、制御ビームを形成する主なレーザーからいくつかの光をタップします。音響光学変調器AOM1を使用して、その周波数をシフトする。このAOMは、制御光のパワーの変調を可能にする。 、AOMを駆動するTTL信号によって制御されるRFスイッチを介して信号源の出力を渡し、その後、AOMにそれを送信する前に信号を増幅する。このAOMの駆動周波数を変化させることにより、例えば、ラマン吸収を最適化するための微調整制御周波数、。セットアップ中のAOMのRF駆動周波数は80MHzであるが、これは任意である。 </li><li>制御ビームから6.8ギガヘルツ、この周波数の超微細基底状態分割されることによって、量子メモリに記憶されるプローブビームを、離調Rbは87。この周波数を調製し、6.8 GHzのマイクロ波源によって駆動され、ファイバ結合された電気光学変調器を介してレーザを通過する。これは、搬送波周波数の上下に6.8ギガヘルツの高調波における側波帯の配列を生成する。 </li><li>純粋な周波数のプローブ光を得るためには、他のすべての不要な変調側波帯からの6。8 GHzの光を分離。これを行うには、リング共振器のいずれかを使用します。 6。8 GHzのサイドバンドと共鳴キャビティ1をロックします。他の全ての周波数が反映されている間、この周波数は、次にこのようにしてルビジウム原子のF = 1の基底状態に対処する純粋な周波数を調製し、共振器を介して送信される。空洞は、入力ミラーからの反射光を用いて、】パウンド-ド-ホール技術27を用いてロックすることができる。 </li><li> BS3でのレーザ光の一部をタップして、微細な周波数の制御とプローブ光の強度を可能にするためにAOM2を介して送信する。そこAOMを駆動するのに利用できる方法のカップルです。たとえば、80 MHzで変調されたガウスパルスを生成するように設定プログラマブル信号発生器を使用しています。代わりに、80 MHzで変調されたパルスを与えるために、RFミキサでのパルスで連続80 MHzの信号を組み合わせています。いずれにせよ、この変調されたガウスはその後増幅し、AOMの回折次への光のパルスを与えるために、AOMに送信されます。 注：この回折次数をメモリに記憶することができる光の微調整パルスを提供する。パルスの振幅は、AOM駆動力との組合せを用いてBS1の分岐比を可変調整することができる。これは、パルス振幅の広い範囲の信頼性のある製造を可能にし、特に、1〜23未満の平均光子数を有する非常に弱いパルスの生成を可能にする。 </li><li>次の段階は、プローブと制御光を再結合することです。これは、単純なビームスプリッタで行うことができるが、それは光の一部を失うことを意味する。プローブおよびコントロールの偏光が直交であった場合、可逆的組換えは、偏光ビームスプリッタを使用して達成することができるが、ストレージは唯一の真のプローブおよびコントロール偏光の独立制御を介して最適化することができる。 <ol><li>これを達成するために、第二の、高効率、インピーダンス整合、リング共振器を使用する。制御フィールドは、出力ミラーから反射されるプローブビームが伝わるように空洞を設定する。この第2の共振器を介してプローブの送信はまた、四光波混合の問題を回避するのに役立ち周波数フィルタリングの第2の層を提供する。 </li><li>空洞のリバースモードに注入される補助ロックビーム（破線）を用いて、プローブビームの周波数にこの空洞をロックする。プローブビームは異なる周波数、偏光および空間モードに同調このビームに悪影響プローブビームに影響を与えることなく反射に検出することができるようにする。この努力のための理由は、それキャビティをロックするために、低電力、パルスプローブビームを使用することはひどく困難である。制御及びプローブビームは、それぞれ、7mmで、3mmのサイズにメモリセルの前にコリメートされる。 </li><li>メモリセル前の制御フィールド電源は、約270ミリワットであり、プローブパワーは、実験の実行によっては数マイクロワットゼロから選択することができる。四分の一波長板を用いて、（約）円形のヘリシティと同じであるように組み合わせられたプローブおよび制御光の偏光を調整する。メモリガスセル装置にそれらを注入する。 </li></ol></li><li> LabVIEWプログラム28を用いた実験のすべての要素のタイミングを制御する。典型的なデューティサイクルは120秒である。メモリ動作との干渉を避けるためにメモリ記憶時にヒータのスイッチを切る。典型的なタイミングシーケンスを図4に示されている。可能な場合は、光がメモリに記憶されている間に、制御光のスイッチを切る。暖かいガスセルでは、目ものの電子ラマン遷移はドップラー幅を超えて励起状態からの離調であり、制御フィールドは依然として自発的ラマン散乱の非ゼロの確率にメモリにデコヒーレンスの重要な源であることができる。ラマン散乱は、制御フィールド電源に直接比例し、逆に離調二乗。制御フィールドは、全記憶時間の間に維持される場合、それは、2つの下側の状態と相互作用し、散乱指数関数によって定義される速度でコヒーレンスを破壊することができる。これは議論のセクションでさらに説明する。 </li><li>ストレージおよびリコールした後、ビームから制御フィールドを除去するために、フィルタリングセルにプローブを通す。これは、Rbの天然混合物で細胞を使用することが可能である。 85 Rbは支配と抑圧の60デシベルを提供し、制御光周波数で強く吸収する。プローブビームは、一般的に1.4デシベル、はるかに少ない減衰する。 140℃に加熱した75ミリメートル、長セルを使用してください同位体強化85 Rbを持つ細胞は、より少ないプローブの吸収につながる。 </li><li>最後のステップは、ホモダインまたはヘテロダイン検出を使用して、プローブパルスの検出である。この検出方法の利点は、それがそのようにいくらかの残留制御光が測定に影響しないであろう選択的なモードであることである。エコーはhalf-wave/quarter-waveプレートの組み合わせを用いて線形とされる（近）円偏光を有する。 <ol><li> 、局部発振器を生産BS4でのビームの一部をタップしAOM4を使用してその周波数をシフトする。高速なオシロスコープを使用して、ホモダインまたはヘテロダインセットアップからの信号を格納し、LabVIEWの制御プログラムにトリガ。 </li></ol></li></ol>

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<li>Hosseini, M., Sparkes, B. M., Hétet, G., Longdell, J. J., Lam, P. K., Buchler, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Coherent+optical+pulse+sequencer+for+quantum+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Coherent optical pulse sequencer for quantum applications.</a> Nature. 461, 241-245 (2009).</li>
<li>Hosseini, M., Sparkes, B. M., Campbell, G., Lam, P. K., Buchler, B. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+efficiency+coherent+optical+memory+with+warm+rubidium+vapour%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Comm%22%5BJournal%5D)">High efficiency coherent optical memory with warm rubidium vapour.</a> Nat. Comm. 2, 174(2011).</li>
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</ol>

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

高いメモリ効率のために必要な条件は、高いOD [30]である。 Λ-GEMのODはΩ_cが結合磁界ラビ周波数であり、Δは励起状態からのラマン離調であるラマン係数Ω_c2 /Δ2に比例する。自発ラマン散乱速度はまた、ラマン係数に比例し、高い吸収及び低散乱損失を達成することとの間にはトレードオフが存在する。我々は反復プロセスを使用して制御フィールド電源、離調およびガス温度に最適な設定を探してください。パルスが完全に吸収された後、散乱損失は、貯蔵中に制御光をオフに切り替えることにより、ある程度緩和することができる。光学的深さはまた、原子の内部状態に影響されます。理想的には、プローブの吸収を増加させるためにF = 1の超微細レベルで可能な限り多くの炭素原子を持っていると思います。それは= 2、Fからの原子をポンピングするように作用するように制御ビームもここで役割を果たしているFは1レベル=。これは、離調のために非常に効率的ではないが、制御光は強力であり、パルス蓄積実験間の長時間オンのままにすることができる。我々の実験におけるラマン線の幅は、主制御フィールドによる電力広がりの結果である約100 kHzのである。これはほとんど原子がF = 1の超微細状態に= 2 Fからポンプされる速度に相当する。しかし、いくつかの人口が原因で許可された光学遷移がないために= 2の超微細レベルのF（円偏光の符号に応じて、または-2）MF = 2に残さがあるでしょう。 ODは、ガス相中の原子の数を決定するセルの温度に強く依存する。我々は、細胞の中心で測定周りに78°Cの温度を使用する。私たちは、細胞内で、制御フィールドのいくつかの吸収だけでなく、目のある非干渉性吸収につながることができる85℃に超えて温度を上昇させることに気づいた電子プローブ信号。ヒーターは細胞内部に磁場を乱さないようするために、実験の実行中にオフになります。 両方のプローブおよびコントロールフィールドの偏光はまた、メモリの吸収効率に重要な役割を果たしている。 87RbのD1遷移線は8ゼーマンサブレベルの合計で2の超微細励起状態を持っています。原則として、プローブおよび制御フィールドの両方で同一の円偏光の選択は、彼らが唯一の励起状態のレベルのMF = 2（または-2）、F &#39;= 2と相互作用することを保証します。レーザー場の線形または楕円偏光は= 1、Fの他のゼーマンサブレベル」、2を介して、ラマン結合を生じさせる。これは、異なる結合定数および種々の遷移の交流スタークシフトに、ラマン線状の広がりと非対称をもたらす。残念ながら、メモリの前に用意し、同一の円偏光プローブと制御フィールドは異なる偏光自己Rを体験することができますotations彼らはメモリを介して伝搬する。この効果は、我々の実験で持っている高いODメディアでより顕著である。これは、プローブおよび制御光の偏光の微調整が自転の影響を打ち消すために必要とされることを意味する。 大きなOD 25を操作するときに、さらに複雑なことに、縮退4光波混合（FWM）プロセスは、時々見ることができる。これは、増幅を引き起こし、その結果、メモリの出力状態にノイズを導入することができる。直線偏光を制御し、プローブビームの両方に使用される場合、特に、FWM効果が大きくによる複数の励起状態を介してラマン励起に向上させることができる。 FWMプロセスが増強または我々のシステムにおいて抑制されるかの条件は文献25に要約されている。 FWMの影響により、再度、プローブおよび制御光の偏光の微調整を緩和することができる。このようにして、FWMプロセスは、彼らが行う点に低減することができるリコール光23にノイズを追加しない。 FWMに関しては、両方のキャビティが他のFWMプロセスをシードあろ繊維EOMによって生成-6.8 GHzの側波帯を抑制するのに重要な役割を果たすことは注目に値する。 自転とFWMの両方を広げるラマン線の形状に影響を与える。 図5に示すように微調整した後、一方は非常に対称的な、略矩形状の吸収特性を達成することができる。これは、偏光がFWMの影響を実証するために選択された、図7に示す場合とは対照的である。ここラマン機能は、きわめて非対称である。 前述のように、天然の存在量のRbセルが制御ビームをフィルタリングし、検出部にプローブビームを渡すために使用した。これにより、セルの高温に、我々は、セルの窓の周りに空気の流れを再、ヘテロダイン検出の縞の可視性の変化を引き起こすことに気づい信号の変動にsulting。この効果は、直ちに濾過した後、細胞ヘテロダイン検出を実施し、適切なオーブンの設計を使用してセルの窓の周りに空気の流れを減少させることによって最小化されている。我々は、Windowsからのフレネル反射にとフィルタリングセル内の87のRb原子による吸収のために、フィルタリングセルを介して約30％のプローブの損失を観察した。この損失は、潜在的にセルの窓に反射防止コーティングを用いて、純粋な85 Rbの代わりに、Rbの天然混合物を使用することによって低減することができる。 温かい蒸気セルにおいて、拡散は蓄積時間の主な制限の一つである。光を吸収した後、炭素原子は、このように部分的に記憶された情報を消去し、コヒーレントな領域の外に拡散することができる。 （我々の実験において0.5トルのKr）、緩衝ガスを追加すると、ある程度の拡散の影響を低減する。あまりにも多くのバッファガスは、しかし、31を広げる衝突増加する。これは12月を増加上述のポンピングの効率を低下させるoherence及び制御電界吸収、。横方向の拡散の影響を低減する別の方法は、プローブと、制御フィールドの横方向のプロファイルを拡大することにより相互作用容積を増加させることである。このアプローチは、最終的に細胞壁との非弾性衝突によって制限される。この場合には、細胞壁は壁に弾性衝突を提供し、従って、原子コヒーレンス時間を向上させるために、antirelaxation材料32,33で被覆することができる。適切な壁のコーティングを使用し、ほぼセルの断面を覆うように、レーザビームの大きさを増大させる非弾性壁衝突を最小化することによって、人は蓄積時間上の横方向の拡散からの最小限の効果を期待する。縦方向の拡散は、長い貯蔵時間で支配的なデコヒーレンス効果になる可能性があります。長手方向の拡散は、原子が低減rephをもたらすことができる蓄積時間中に異なる磁界強度を経験させるasing効率。長手方向の拡散を制御する1つの方法は、例えば、磁気光学トラップ（MOT）中で冷却されている炭素原子のように、冷原子集団を使用することであろう。それは、しかし、寒さの原子雲の制御に関与する実験の複雑さの全く新しい層を必要とします。これは、我々は現在、我々の研究室36に評価しているシステムです。

量子情報技術が直面する顕著な課題の一つは、量子状態のためのメモリを構築する機能です。フォトニック量子計算1、又は量子暗号鍵配布システム2において使用量子情報中継の場合、これは光3の量子状態を格納できるメモリを構築することを意味する。この目標に向かって取らアプローチの一つは、格納し、制御可能にしばらくして光を放出するように制御することができる原子のアンサンブルを使用することである。多くの技術は、電磁誘導透過（EIT）4、原子周波数コム（AFC）5、6、7、四光波混合（FWM）8、ラマン吸収9、ファラデーインタラクション10およびフォトンエコー技法11、12を含むが開発されている、13、14、13、15、16、17、18、19。 この論文の焦点はΛである - 3を使用して動作するグラディエントエコーメモリ（Λ-GEM）、レベル &#39;Λ&#39;構造化された原子のメディア。当初は2008年20暖かいのRb蒸気セルで実装されました。この方式は、光パルスのランダムアクセスメモリ21として使用されている、87〜22％と高い効率が実証された量子状態23のノイズのないストレージを提供し、非線形光24の操作のためのプラットフォームとして、いくつかの有望性を示している。我々はまた、最近、暖かい原子蒸気25とこのメモリの相互作用に関するいくつかの詳細に入る論文を発表しています。 技術の本質は、我々は原子が光のパルスを吸収するように不均一に広がっている原子のアンサンブルを準備することである。 図1aに示すように私たちの実験では、ラマン吸収を使用しています。格納されるプローブ光は、二つの原子の基底状態間のコヒーレンスにマッピングされる。広がりは、磁場を印加することによって提供されるgradien光伝播方向に沿ってtを図1bに示すように、ラマン吸収周波数の空間的勾配を誘起。記憶されたパルスの異なる周波数成分は、このように直線状原子集団の長さに沿って異なる空間位置にマッピングされる。換言すれば、入力パルスの吸収によって生成された原子のスピン波の空間的プロファイルは、入力パルスの時間プロファイルのフーリエ変換に比例する。後で概説するように、それはまた、このメモリの興味深いスペクトル処理機能の一部を可能にする、この周波数勾配である。磁場勾配を逆転させることにより、原子集団のコヒーレンスの進化は、時間反転することができる。これは光のパルスの取り出しが可能になります。

<table><tbody><tr><td>チタンサファイアレーザー</td><td>M スクエアレーザー</td><td></td><td>SolsTiS</td></tr><tr><td>デジタルオシロスコープ</td><td>Lecroy</td><td></td><td>WaveRunner 44Xi-A</td></tr><tr><td>メモリーセル</td><td>トライアドテクノロジー</td><td></td><td>長さ 20 cm、87Rb 強化、0.5 Torr Kr 緩衝ガス、ARコーティング</td></tr><tr><td>フィルターセル</td><td>トライアド技術</td><td></td><td>長さ 7.5 cm、天然混合物 Rb、緩衝ガスなし</td></tr><tr><td>ファイバーEOM</td><td>EOSPACE</td><td></td><td>PM-0K5-10-PFA-UL</td></tr><tr><td>AOM</td><td>AA光電子</td><td>MT80-A1-IR</td><td></td></tr><tr><td>AOMドライブコンポーネント</td><td>Minicircuits</td><td></td><td>アンプ ZHL-1-2W</td></tr><tr><td></td><td>Minicircuits</td><td></td><td>ミキサー ZAD-6</td></tr><tr><td></td><td>Agilent</td><td></td><td>80 MHz信号源 33250A</td></tr><tr><td>キャビティ</td><td></td><td></td><td>カスタムメイドの三角形のリングキャビティ。FSR = 600 MHz、Finesse = 100. Flat mirrors (入出力用) Advanced Thin Films による IBS コーティング。バックミラーは1 m ROC ニューポートスーパーミラー(R >99.97%)</td></tr><tr><td>フォトダイオード</td><td>浜松</td><td>S3883</td><td></td></tr><tr><td>電流スイッチ</td><td>電子設計と研究</td><td></td><td>EDR83915 / 2およびEDR8276612</td></tr></tbody></table>

暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

グラディエントエコーメモリ（GEM）は、原子アンサンブルで光の光の量子状態を格納するためのプロトコルです。このような技術の主な動機は、暗号鍵のセキュリティを保証するためにハイゼンベルグの不確定性を使用して量子鍵配送（QKD）は、伝送距離が制限されることである。量子中継器の開発は、QKDの範囲を拡張することのパスですが、リピータは、量子メモリが必要になります。我々の実験では、温かみのガスセルに含まれているルビジウム87蒸気のガスを使用しています。これはスキームは特に簡単になります。また、そのような周波数シフトや帯域幅操作などの保存された状態のインメモリ微細化が可能になり、汎用性の高い方式です。 GEMプロトコルの基礎は、磁場勾配で調製された原子の集合体に光を吸収することである。この勾配の逆転は、原子分極の再位相とストアド光学状態のこのようリコールにつながる。 Weは、我々が炭素原子とこの勾配を準備する方法の概要を示し、また光利得を生じさせることができ、特に、四光波混合において、回避する必要がある落とし穴のいくつかを説明する。

1。診断ツールとしてラマン吸収を利用得るための最初の結果は、プローブ用ビーム光のラマン線の吸収である。この吸収特性の最適化は、最高のメモリ性能の達成に向けた長い道のりを行く。傾斜磁場コイルがオフで、制御周波数は、弱い連続波プローブの存在下で走査することができる。プローブビームの吸収は、原子セルの光学密度に直接関係する。それに基づいて、セルの温度は、制御光と単一光子離調の電力は、可能な限り最高のラマン吸収を与えるために反復プロセスを介して最適化することができる。あまりにも多くの制御光パワーが吸収を高めるだけでなく、ラインの幅を広げるであろう。最適化された場合には、幅が我々のシステムにおける100kHzのオーダーである。 傾斜磁場コイルの一方に切り替えると、ラマン線を広げます。広がった吸収の幅が決定地雷メモリーの帯域幅。妥協は、光メモリ効率に影響を与える濃度、及びメモリ帯域幅の間で行われなければならない。プローブ送信は、メモリ帯域幅が1MHz程度に設定されている図5のお広がっラマン線のいずれかに示されている。 同時に両方の傾斜磁場コイルに切り替え、nonbroadened吸収線幅を回復する必要があります。電流の大きさや磁場の空間的な不均一性における不一致は、ラマン吸収の広がりや歪みに直接反映されます。 2。パルスストレージメモリの最も単純な構成は、単一パルスの格納と取得です。すなわち、持続時間2秒のパルスを記憶し、 図6に示すように、パルスのピークの後に傾斜磁場コイル3マイクロ秒の切り替えは、例えば、である。光学濃度が低い場合、いくつかの光leakageの媒体の光学密度（OD）に依存して観察される。慎重にメモリパラメータのチューニングは、高効率ストレージを得るために不可欠です。これにより、メモリセル温度の最適化を含む、プローブと、制御フィールドとの間の慎重な位置合わせは、光の正確な偏光を確実に吸収と散乱との間の最良の妥協点を見つけるために、制御光の強度を調整するとの周波数を調整するプローブと制御ビーム。この最適化方法は、さらなる議論の項で説明する。全てのこれらのパラメータが適切にチューニングされた場合4秒22の蓄積時間を80％を超える効率が期待できる。ストレージの効率はリコールエコーのエネルギーを、メモリに記憶されていない同一のパルスのエネルギーとの比として定義される。これは実質的に表面上のフレネル反射によるインスタンスまたはabsorpt、線形損失の影響を要因フィルタリングセル内のイオン。ヘテロダイン検出を使用する場合、パルスのエネルギーは、ヘテロダイン信号を二乗し、パルスのエンベロープの面積を測定することによって測定される。 検索されたパルスの周波数と帯域幅は、傾斜磁場コイルに注入された電流に依存します。これらの電流の簡単な操作で検索されたパルスの微調整が可能になります。 （例えば、29に概説されているような）より複雑なスペクトルの操作は、メモリに沿って勾配が独立して位置及び時間の関数として調整することができる、より高度なコイル·セットアップを使用して行うことができる。 <img alt="図1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig1.jpg" width="500px" /> 図1。 A）のメモリで使用される87のRb D 1ライン内のレベルのスキーム 。プローブ光は、コヒーレンスベットを作成するためにラマン吸収される<html> F = 1とF = 2グラウンド状態WEEN。B）磁場勾配は、セルの長さに沿って地面の状態の空間依存離調を与えます。グラデーションを反転させて、制御光を回すと、格納されたプローブ光のリコールを提供します。 （[34]より）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig1highres.jpg" target="_blank">拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig2.jpg" width="500px" /> 図2。光モードクリーナーの回路図の説明のための方法を参照してください。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig2highres.jpg" target="_blank">拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 ig3.jpg &quot;幅=&quot; 500px &quot;/&gt; 図3。実験装置の概略図 AOM =音響光学変調器;。EOM =電気光学変調器、BS =ビームスプリッタ、λ/ 4 =四分の一波長板。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig3highres.jpg" target="_blank">拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig4.jpg" width="500px" /> 図4。メモリの典型的なタイミングシーケンス。（35から引用）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig4highres.jpg" target="_blank">拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig5.jpg" width="500px" /> 図5。典型的なヘテロダインはラマン線を広げたときに目の1電子傾斜磁場コイルがオンになっている。データ（細い実線）はヘテロダイン測定を用いて行われる。振動は、プローブ光と局部発振光とのビートによるものである。破線の曲線を広げるラマン線の形状であり、このデータの包絡線を示しています。 （25から変更）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig5highres.jpg" target="_blank">拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig6.jpg" width="500px" /> 図6。短い蓄積時間の典型的な平均効率のGEMエコー。傾斜磁場コイルがTで切り替えられる= 10秒（破線）。赤：入力パルス強度プロファイル。青：メモリの強度出力、（赤入力パルスの下に明らかである）漏れ光を実証し、Tの右に表示され、エコーをリコール彼は破線。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig6highres.jpg" target="_blank">拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img alt="図7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig7.jpg" width="500px" /> 図7。種々の制御フィールドの電源とセル温度について、ラマン線を走査するときにのみ 、この図の場合は、それらが効果を最大化するように作用四波混合は 、制御フィールドおよびプローブビームの偏光を選択した。 Pcは、制御光のパワーである。 （25から変更）。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig7highres.jpg" target="_blank">拡大画像を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。

グラディエントエコーメモリは、原子アンサンブルで光の光の量子状態を格納するためのプロトコルです。量子メモリは、量子鍵配送の範囲を拡張することができ、量子中継器の重要な要素である。 3レベルの原子集団に実装されている場合、私たちは、方式の動作の概要を説明します。

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

この手順の全体的な目的は、磁場勾配を用いて、温かいルビジウム蒸気中に光パルスを保存し、それを呼び出すことです。まず、電気光学変調器と光共振器を使用して、ルビジウム蒸気中でのラマン吸収に必要な周波数の光ビームを生成します。次に、電気光学変調器を用いて、メモリに保存されるパルスを成形し、ラマン吸収を可能にする制御ビームの周波数を微調整します。次に、光パルスをルビジウムセルに蓄えます。このセルの吸収は、縦方向の磁場勾配によって空間的に広げられています。最終ステップでは、磁場勾配を反転させて原子コヒーレンスの進化を逆転させ、これによりフォトンエコープロセスを通じて蓄積された光パルスを再生します。最終的に、ホモダイン検出を用いて再生されたフォトンエコーの特性を測定します。既存の手法に対する本技術の最大の利点は、実証された効率が最も高いことです。メモリのドメイン固有の性質により、光パルスの周波数成分をガスセルの長さに沿って保存することが可能です。これにより、保存された光のスペクトル操作にメモリを利用できるようになります。2つのリング共振器を特注で製作し、実験の準備をします。空洞スペーサーには、バルクアルミニウム製の中空シリンダーを選択してください。このシリンダーの長さは約25 centimetersです。同一の反射率を持つ2枚の平面ミラーをエンドキャップに用意します。精密な加工を施し、これらをキャビティスペーサーの一端に取り付けます。ミラーを接着する必要はありません。次に、キャビティスペーサーの反対端用エンドキャップにOリングを配置します。Oリングの上に最大反射率の曲面ミラーを設置してください。ミラーの上に圧電アクチュエータを配置し、エンドキャップをキャビティスペーサーに取り付けます。エンドキャップの構成要素をキャビティスペーサーに圧縮して固定し、エンドミラーの高速駆動を可能にします。次に、メモリ装置の作成に取り掛かります。ここでは、同位体濃縮されたルビジウム87と0.5 torのクリプトン緩衝ガスを封入し、反射防止コーティングが施された窓を持つ長さ20 centimetersのセルを使用します。また、実験には非磁性加熱ワイヤーで巻かれたセルを使用してください。この概略図で緑色に示されているメモリセルは、3つの同心ソレノイドで囲まれます。線形に変化する磁場を生成するように設計された、可変ピッチを持つ2つの同一な内部ソレノイドがあります。これらは、それぞれの磁場の勾配が互いに逆向きになるように設置されています。ソレノイドを切り替えることで、原子集団内の勾配が反転し、光パルスの再位相合わせ（リフェージング）とメモリからの光の呼び出しが強制的に行われます。3番目の外側ソレノイドでDC磁場を発生させ、XEOMIN準位の縮退を解きます。内側ソレノイドを作製するために、シミュレーションを用いて必要な可変ピッチのらせんを決定し、そのプロットを印刷します。そのプロットをPVCパイプに巻き付け、ワイヤーを巻く際のガイドとして使用します。コイルは、端部効果を避け、主に縦方向の磁場を持つように設計する必要があります。3つのソレノイドを巻き付けて組み立てた後、2層のミューメタルで磁気シールドを施します。本実験では、795 nanometersのルビジウムD1線付近にチューニングしたシングルモードレーザーを使用します。ビームスプリッターを使用し、天然のルビジウム同位体比を含む加熱セルにビームを照射して周波数をモニターします。共鳴付近の散乱をカメラで観察し、F=2からF'=2への遷移より約1.5 GHz高い周波数に調整して、制御ビームの概略周波数を取得します。次に、光路に沿ってビームスプリッターを用い、制御ビームとプローブビームを形成します。プローブ光は、ファイバー結合型電気光学変調器とリング共振器のいずれかを通過し続けます。6.8 GHzのマイクロ波光源で駆動されるファイバー結合型電気光学変調器を使用して、プローブ光をコントロール光からデチューンさせます。リング共振器を+6.8 GHzのサイドバンドの共鳴点にロックすることで、サイドバンドを除去します。次のビームスプリッターは、プローブ光を光学変調器へと導き、その周波数と強度を精密に制御できるようにします。この変調器には変調されたガウス波形が印加され、セル内に保存するための精密な光パルスが生成されます。プローブ光を2つ目のリング共振器に透過させます。共振器の逆方向に注入した補助ロックビームを用いて、共振器をプローブビームの周波数にロックします。共振器の出力ミラーで、反射されたコントロールビームとプローブビームを再結合させます。メモリセルに入る前に、1/4波長板を用いて、再結合したプローブビームとコントロールビームが同一の近似的な円偏光を持つように調整します。メモリセルの後段で、140 °Cのルビジウム自然混合物で満たされたフィルターセルを用いて、伝搬光からコントロールビームを除去します。次に、2枚目の4分の1波長板を用いて、プローブパルスをほぼ線形偏光に変換します。プローブビーム用のホモダイン検出セットアップを準備してください。メモリーセルの後で、ビームを3枚目の電光変調器（EOM）に導き、その周波数をシフトさせて検出器用の局所発振器を提供します。制御プログラムによってトリガーされる高速オシロスコープを使用して、実験の信号をキャプチャし保存します。メモリセルの温度が 80 °C であることを確認し、プローブビームの出力を調整します。コンピュータ制御の実験用スクリプトを開始します。典型的なデューティサイクルは約120 microsecondsであり、サイクルの早い段階でオシロスコープをトリガーします。初期状態では、メモリセル周辺の内部コイルの一方がオンで、もう一方がオフになっており、これにより一方向への磁気勾配が生じます。プローブビームのパルスが保存された後、勾配を反転させてメモリから光をリコールします。メモリ保存時間中、メモリ動作への干渉を避けるため、ガスセルヒーターをオフにします。可能であれば、メモリに光が保存されている間はコントロールビームをオフにしてください。この図は、勾配磁場コイルの1つがオンになっている時の、典型的なヘテロダイン広帯域ラマン線を示しています。細い実線はヘテロダイン測定によるデータを示しています。この振動は、プローブ光と局所発振光との間のビートによるものです。破線は、このデータのエンベロープであり、広幅化したラマン線の形状を示しています。このプロットに、短い保存時間における一般的な平均効率の勾配エコーメモリ信号を示します。赤色の曲線は入力パルスの強度プロファイルを示し、青色の曲線はメモリの出力を示しています。磁気勾配コイルは10 microsecondsで切り替えられました。再生されたエコーは破線の右側に現れます。スイッチ動作前の出力にゼロではない強度があることは、光漏れの証拠となります。この高効率なグレーディングエコーメモリは、時間領域や周波数空間におけるパルス成形や、将来的には量子リピータの構築など、さまざまな実験に利用可能です。高出力レーザーの使用は非常に危険であることに留意してください。本手順の実施中は、常にレーザー安全ゴーグルを着用してください。

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暖かい原子蒸気に勾配エコー量子メモリ

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