Name: 온난 한 원자 증기의 그라데이션 에코 양자 메모리 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-11T19:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: 학습하세요 온난 루비듐 증기에서 그라데이션 에코 양자 메모리 프로토콜을 이용한 광 펄스 저장 및 재생 방법을. 자기장 그라데이션을 활용한 이 기술은 양자 통신 및 양자 키 분배 범위 확장에 중요한 고효율 양자 메모리를 제공합니다.

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연구는 양자 계산을위한 우수의 호주 연구위원회 센터 및 통신 기술, 프로젝트 번호 CE110001027에 의해 지원됩니다.

1. 일부 사용자 정의 - 기본 요소 <ol><li> 링 공진기 이 실험에서, 분할 및 다른 주파수의 빔을 결합하여 두 개의 링 공진기가 필요합니다. 캐비티의 설계를도. 2. <ol><li> 대량의 알루미늄 중공 실린더 주위의 공진기를 구축 할 수 있습니다. 한쪽 끝에서 동일한 반사율을 가진 두 개의 평면 거울을 탑재합니다. 반대쪽에서 최대 반사율 곡면 거울을 탑재합니다. 거울은 캐비티 스페이서에 접착 할 필요가 없습니다. 스페이서의주의 가공으로, 엔드 - 캡은 장소에 저장하기에 충분합니다. </li><li> 공동의 공진 주파수를 제어하도록 O-링 및 압전 액츄에이터와 곡면 거울을 배합. 거울 뒤에 피에조, 거울과 공동 스페이서 사이의 O-링을 놓습니다. 엔드 미러의 고속 작동을 허용하도록 엔드 캡과 공진기 스페이서 상으로 이러한 요소를 압축. O-링 압축의 조합고속 피에조는 일반적으로 10 kHz의 초과 대역폭 제어를 허용. 참고 :이 예를 들어, 스페이서는 약 25 ㎝ 길이입니다. 제어 및 프로브 빛이 초 미세 분할이 자유 스펙트럼 범위의 배수가되어야 함을 의미한다 coresonant되지 않도록 그것을 선택해야하지만,이 길이는 임의입니다. 때문에 링 형상으로, 공동은 서로 다른 기교의 비축 퇴 편광 모드를해야합니다. 사용자 정의 코팅 된 거울은 P-편광에 대한 약 100의 기교에 이르게의 편광, 1,000의 주위에 기교의 캐비티를 제공하기 위해 지정됩니다. 이러한 실험은 일반적으로 저가 기교 모드에서 수행되는 동안 빔의 강한 필터링이 요구되어야 설치 간단 높은 기교 모드로 전환 될 수있다. </li></ol></li><li> 메모리 셀 및 그 하우징의 디자인 <ol><li> 메모리 장치를 구축하기 위해, 동위 원소로 향상된 87 RB 앨라배마 함유 긴 셀을 사용Kr을 버퍼 가스의 0.5 토르와 사연. 셋업에서, 길이는 20cm이다. 셀의 창은 반사 방지 코팅입니다. 이 셀은 비자 열선을 사용하여 약 80 °의 C로 가열해야합니다. </li><li> 세 동심 솔레노이드 셀을 싸는. 두 개의 내부 솔레노이드는 자기장의 그라디언트를 만들 수 있습니다. 이러한 솔레노이드 풍력, 비오 - 사 바르 식을 이용하여 시뮬레이션을 수행한다. 선형 적으로 변화하는 자기장을 제공 할 것입니다 가변 피치 솔레노이드를 시뮬레이션합니다. </li><li> 그래프 프로그램을 사용하여 종이에이 나선형의 플롯을 인쇄 할 수 있습니다. 파이프에 전선을 따라 바람에 라인을 제공하기 위해 PVC 파이프 주변의 종이 포장. 참고 :이 설정에서 코일은, 가장자리 효과를 방지하기 위해 가스 셀의 배 이상 길이 50​​ cm 길이 있습니다. 직경은 자기장이 주로 길이되도록 다음 번 셀의 직경 (6) 및 10cm,이다. 그라데이션 솔레노이드 그래서 그쪽으로 서로 반대그들 사이의 t의 전환 (그림. 3 참조) 기울기의 부호를 전환합니다. 전형적인 실험에서, 현재의 2 ~ 3은이 코일을 통해 실행되고, 코일은 3 ~ 4 마이크로 초에 전환됩니다. </li><li> 전환 시간을 최적화하고 중지하는 진동은 코일과 직렬 200 Ω 댐핑 저항을 사용한다. 제만 수준의 타락을 올리려면 DC 자기장을 제공하는 데 사용되는 세 번째 일반적으로 상처 코일 내부에 두 솔레노이드를 놓습니다. 루비듐 자기장 (26)의 약 1.4 MHz의 / G의 변화가 있습니다. 그라디언트 2 G / M 것 동안 일반적인 DC 필드, 6 G입니다. </li><li> 실험에 대한 지구의 자기장의 영향을 저감하는 3 기의 자기 코일 주위 μ-금속 실드의 2 개의 층을 배치. </li></ol></li></ol> 2. 광 빔 경로의 레이아웃 <ol><li> 795 nm에서의 루비듐 D 1 라인 근처에 조정 된 단일 모드 레이저를 사용합니다. 주파수를 모니터도 3에 도시 된 바와 같이, 포화 흡수 측정을 사용하는 레이저. = 2 전이 F에 = 2 F &#39;위의 약 1.5 기가 헤르쯔에 의해 주파수를 디튠. 이것은 제어 광의 대략 주파수 일 것이다. </li><li> 빔 스플리터 BS2에서, 제어 빔을 형성하는 주요 레이저 떨어져 약간 빛을 누릅니다. 음향 광학 변조기 AOM1를 사용하여 주파수를 시프트. 이 AOM도 제어 광의 파워의 조절을 허용한다. , AOM 구동 TTL 신호에 의해 제어되는 RF 스위치를 통해 신호 소스의 출력을 전달하고 AOM로 전송하기 전에 상기 신호를 증폭한다. 이 AOM의 구동 주파수를 변화시킴으로써, 예를 들면 라만 흡수를 최적화하기 위해 미세 조정 제어 주파수. 설치 프로그램에서 버튼 확장 박스 (AOM)의 RF 구동 주파수는 80 MHz의, 그러나 이것은 임의의. </li><li> 제어 빔으로부터 6.8 GHz의 현재 주파수의 초 미세 바닥 상태 분할 됨으로써, 양자의 메모리에 저장 될 것이다 프로브 빔을 DETUNERB 87. 이 주파수를 준비하려면, 6.8 GHz의 마이크로파 소스에 의해 구동되는 광섬유 결합 전기 광학 변조기를 통해 레이저를 전달합니다. 이것은 캐리어 주파수 위와 아래 6.8 기가 헤르쯔의 고조파 파대의 어레이를 생성한다. </li><li> 순수한 주파수 프로브 빔을 얻으려면 +6 구분합니다. 8 GHz의 빛을 다른 모든 원치 않는 변조 측 대역에서. 이를 위해, 링 공동 중 하나를 사용한다. 6. 8 GHz의 사이드 밴드와 공명에 구멍 잠금 1. 모든 다른 주파수를 반영하면서이 주파수는 다음 따라서 루비듐 원자 F = 1 바닥 상태를 해결할 것이다 순수한 주파수를 준비하는, 공진기를 통해 전송 될 것이다. 공동은 입력 미러로부터 반사 된 광을 사용하여] 파운드 Drever - 홀 (27)의 기술을 이용하여 잠글 수있다. </li><li> BS3에서 레이저 빔의 부분을 탭하고 정밀한 주파수 제어 및 프로브 빔의 강도를 허용하도록 AOM2 통해 보낸다. 그곳에AOM을 운전하는 방법 중 몇 가지 있습니다. 예를 들어, 80 MHz에서 변조 된 가우스 펄스를 발생하도록 설정 프로그램 가능한 신호 생성기를 사용한다. 또한, 80 MHz에서 변조 된 펄스를 제공하는 RF 믹서에 펄스로 연속 80 MHz의 신호를 결합한다. 어느 쪽이든,이 변조 된 가우스는 증폭과 AOM의 회절 순서로 빛의 펄스를 제공하기 위해 AOM로 전송됩니다. 주 :이 회절 순서는 메모리에 저장 될 수있는 빛의 미세 제어 된 펄스를 제공 할 것이다. 펄스의 크기는 AOM 구동 전력의 조합을 사용하고 BS1의 분할 비율을 가변 조정할 수있다. 이는 펄스 진폭의 넓은 범위의 안정적인 생산이 가능하고, 특히, 평균 광자 번호 1보다 23 매우 약한 펄스의 생성을 허용한다. </li><li> 다음 단계는 프로브 제어 빔을 재결합하는 것이다. 이것은 간단한 빔 스플리터와 함께 할 수 있지만, 그 빛의 일부를 잃는 것을 의미한다.프로브 및 제어의 편광 직교되었습니​​다 경우 무손실 재결합은 편광 빔 스플리터를 사용하여 달성 될 수 있지만, 저장 장치는 진정 프로브 및 제어 편광들의 독립적 제어를 통해 최적화 될 수있다. <ol><li> 이것을 달성하기 위해, 초 고효율, 임피던스 정합, 링 공동을 사용한다. 컨트롤 필드가 출력 거울에서 반사되는 동안 프로브 빔을 통해 전송 될 수 있도록 캐비티를 설정한다. 이 제 2 공진기를 통해 프로브의 송신도 4 광파 혼합의 문제를 방지 할 주파수 필터링의 두번째 층을 제공한다. </li><li> 공동의 반전 모드에 주입 보조 잠금 빔 (점선)을 이용한 프로브 광의 주파수에이 캐비티를 잠근다. 프로브 빔에서 다른 주파수, 편파 및 공간 모드로 튜닝이 빔 악영향 프로브 빔에 영향을주지 않고 반사에 검출 될 수 있도록. 이러한 노력에 대한 이유는 그것이캐비티를 고정 저전력, 펄스 프로브 빔을 사용하기 어려워 어렵다. 제어 및 프로브 빔이 각각 7mm 및 3mm 크기로 메모리 셀 전에 시준된다. </li><li> 메모리 셀 전에 제어 필드 전원 ~ 270 mW의와 프로브 전원이 실험의 실행에 따라 몇 마이크로 와트 0에서 선택 될 수있다. 4 파장 판을 사용하여, (약) 원형과 같은 헬리 시티의로 결합 된 프로브 및 제어 광선의 편광을 조절합니다. 메모리 가스 전지 장치에 그들을 주입. </li></ol></li><li> LabVIEW 프로그램 (28)을 사용하는 실험의 모든 요소의 타이밍을 제어한다. 전형적인 듀티 사이클은 120 마이크로 초 것이다. 메모리 동작에 방해가되지 않도록 메모리 저장 시간 동안 히터를 끄고. 일반적인 타이밍 시퀀스는도 4에 도시된다. 가능하면 광이 메모리에 저장되어있는 동안, 상기 제어 광을 해제. 따뜻한 가스 셀에, 비록 일E 라만 천이 도플러 폭 넘은 여기 상태로부터 이조되는, 제어 필드는 여전히 의한 자발 라만 산란의 영이 아닌 확률 메모리의 decoherence 중요한 소스가 될 수있다. 라만 산란이 제어 필드 전력에 정비례와 반비례 이조에 제곱. 제어 필드는 전체 축적 시간 중에 유지되는 경우,이 낮은 상태와 상호 작용 및 산란에 의해 정의 된 기하 급수적으로 간섭 성을 파괴 할 수있다. 이것은 토론 섹션에서 추가로 설명된다. </li><li> 저장 및 리콜 후 빔으로부터 제어 필드를 제거하기 위해 여과 셀을 통해 프로브를 통과한다. 이 RB의 천연 혼합물로 셀을 사용하는 것이 가능하다. 85 RB는 진압의 60dB을 제공하고, 상기 제어 광의 주파수에서 강하게 지배하고 흡수한다. 프로브 빔은 통상적으로 1.4 dB, 훨씬 덜 감쇠된다. 140 ℃로 가열 긴 셀 75mm를 사용동위 원소 강화 85 RB와 셀은 작은 프로브의 흡수로 이어질 것입니다. </li><li> 마지막 단계는 호모 다인 ​​또는 헤테로 다인 검출을 이용하여, 프로브 펄스의 검출이다. 이 검출 방법의 장점은 그래서 어떤 잔여 제어 광이 측정에 영향을주지한다 선택 모드이다. 에코는 half-wave/quarter-wave 접시 조합을 사용하여 선형을 만들어 (근처) 원 편광 있습니다. <ol><li> , 국부 발진기를 생산 BS4에 빔 부분을 누르고 AOM4를 사용하여 주파수를 시프트한다. 빠른 오실로스코프를 사용하여 호모 다인 ​​또는 헤테로 다인 설정에서 신호를 저장, LabVIEW는 제어 프로그램에 트리거. </li></ol></li></ol>

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<li>Buchler, B. C., Hosseini, M., Hétet, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Precision+spectral+manipulation+of+optical+pulses+using+a+coherent+photon+echo+memory%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Let%22%5BJournal%5D)">Precision spectral manipulation of optical pulses using a coherent photon echo memory.</a> Opt. Let. 35, 1091-1093 (2010).</li>
<li>Higginbottom, D. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Spatial+Multimode+Storage+in+a+Gradient+Echo+Memory+%5B%5D%22">Spatial Multimode Storage in a Gradient Echo Memory [dissertation]</a>. , Australian National University. (2012).</li>
<li>Sparkes, B. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gradient+echo+memory+in+an+ultra-high+optical+depth+cold+atomic+ensemble%5BTitle%5D)+AND+%22arXiv%22%5BJournal%5D)">Gradient echo memory in an ultra-high optical depth cold atomic ensemble.</a> arXiv. , (2012).</li>
</ol>

저자는 더 경쟁 재정적 이익이 없다는 것을 선언합니다.

높은 메모리 효율을위한 필요 조건은 높은 외경 [30]입니다. Λ-GEM의 OD는 Ω_c이 결합 자계 라비 주파수이고, Δ가 여기 상태로부터 라만 이조 인 라만 계수 Ω_c 2 / Δ 2에 비례한다. 자발 라만 산란 비율은 라만 계수에 비례하고, 따라서있어 절충 높은 흡수 및 낮은 산란 손실을 달성 간의.는 우리는 반복적 인 프로세스를 사용하여 제어 필드 전력, 디 튜닝 및 가스 온도에 대한 최적의 설정을 찾을 수 있습니다. 펄스가 완전히 흡수 된 후 산란 손실은 저장 중에 제어 된 빔을 스위치 오프에 의해 다소 완화 될 수있다. 광학 두께는 원자의 내부 상태에 의해 영향을 받는다. 이상적으로는 프로브의 흡수를 증가시키기 위해 F = 1 초 미세 수준에서 가능한 많은 원자를 갖고 싶다. 그것은에 = 2 F에서 원자를 펌프 작용으로 제어 빔도 여기에 중요한 역할을F 1 수준 =. 이는 디 튜닝에 매우 효율적 아니지만 제어 빔 파워풀 펄스 저장 실험 간의 장기간에 남아있을 수있다. 우리의 실험에서 라만 선의 폭은 주로 제어 필드로 인한 전력 넓히는 결과 100 kHz의 주위이다. 이것은 거의 원자는 F = 1 초 미세 상태 = 2 F로부터 펌핑되는 속도에 대응한다. 그러나 일부 인구로 인해 허용 광 전환의 부족 = 2 초 미세 수준의 F (원형 편광의 기호에 따라 또는 -2) MF = 2에 남아있을 것입니다. OD는 가스상 원자의 개수를 결정하는 셀의 온도에 크게 의존 할 것이다. 우리가 셀의 중심에서 측정 한 주변의 78 ° C의 온도를 사용한다. 우리는 우리의 셀에, 제어 필드의 일부 흡수뿐만 아니라 일의 어떤 간섭 흡수 될 수있는 85 °의 C 이상으로 온도가 증가 것으로 나타났습니다전자 프로브 신호. 히터는 세포 내부의 자기장을 방해하지 않도록 실험 실행 중에 꺼집니다. 두 프로브 및 제어 필드의 편광도 메모리의 흡수 효율에 중요한 역할을한다. 87Rb의 D1 전이 선은 8 제만 준위의 총 두 개의 초 미세 흥분 상태가 있습니다. 원칙적으로, 프로브 및 제어 필드 모두에 대해 동일한 원형 편광들의 선택은 그들이 단지 = 2 여기 상태 레벨 MF (또는 -1), F &#39;= 2와 상호 작용하는 것을 보장한다. 레이저 분야의 선형 또는 타원형 편광은 F = 1의 다른 제만 준위 &#39;(2)를 통해 라만 커플 링을 야기. 이는 서로 다른 커플 링 상수 및 각종 천이 AC 탁 교대로, 라만 라인 형상 넓히고 비대칭 초래할 것이다. 불행하게도, 메모리 전에 준비 동일하게 원형 편광 프로브 및 제어 분야는 서로 다른 편광 자체 R을 체험 할 수otations가 메모리를 통해 전파로. 이 효과는 더 우리가 우리의 실험이 높은 OD 미디어에서 발음됩니다. 이것은 프로브 제어 빔 편광의 미세 조정이 자전의 영향을 상쇄하기 위해 필요하다는 것을 의미한다. 큰 OD (25)와 함께 작업 할 때 문제를 더욱 복잡하게, 타락한 4 광파 혼합 (FWM) 과정은 종종 볼 수 있습니다. 이것은 증폭을 야기하고, 결과적으로 메모리의 출력 상태에 잡음을 도입 할 수있다. 직선 편광을 제어 및 프로브 빔 모두에 사용되는 경우 특히, FWM 효과가 크게 인해 체류 여기 상태를 통해 라만 여진을 향상시킬 수있다. FWM 프로세스 향상이나 시스템 억제하거나하는 조건은 참조 번호 25에 나타내었다. FWM의 영향에 의해, 다시, 프로브 제어 빔의 편광을 미세 조정 완화 될 수있다. 이러한 방식으로, FWM 프로세스는 그들이 지점으로 저감 할 수있다리콜 빛 (23)에 노이즈를 추가하지. FWM에 관하여, 그것은 모두 캐비티 달리 FWM 프로세스를 시드 것이다 섬유 EOM 생성 -6.8 GHz의 측​​ 파대를 억제하는데 중요한 역할을한다는 것을 주목할 가치가있다. 자전과 FWM 모두 확대 라만 라인의 형상에 영향을 미친다. 도 5에 도시 된 바와 같이 미세 조정 한 후, 하나는 상당히 대칭, 대략 직사각형 모양의 흡수 기능을 달성 할 수있다. 이 편광은 FWM의 영향을 설명하기 위해 선택되었다도 7에 도시 된 경우와 대조. 여기에 라만 기능은 매우 비대칭이다. 앞서 언급 한 바와 같이, 천연 풍요 RB 셀은 제어 된 빔을 필터링하고 검출부에 프로브 빔을 전달하는 데 사용 하였다. 이 때문에 전지의 고온으로, 우리는 셀룰라 윈도우 주변의 공기 흐름을 다시, 헤테로 다인 검출 프린지 가시성에 변동을 일으킬 것으로 나타신호의 변동에 sulting. 이 효과는 즉시 여과 셀 후에 헤테로 다인 검출을 구현하고 적절한 오븐 디자인을 사용하여 셀 윈도우 주변의 공기 흐름을 감소시킴으로써 최소화되었다. 우리는 빠르게 윈도우에서의 프레 넬 반사 및 상기 여과 셀에서 87 RB 원자에 의해 흡수, 필터링 셀을 통해 30 % 정도의 프로브 손실을 관찰했다. 이 손실은 잠재적 셀 창에 반사 방지 코팅을 사용하여, 순수 85 RB 대신 RB의 천연 혼합물을 사용함으로써 감소 될 수있다. 따뜻한 증기 셀에서 확산이 축적 시간에 대부분의 한계이다. 빛을 흡수 한 후, 원자 따라서 부분적으로 저장된 정보를 삭제, 일관된 지역 바깥으로 확산 될 수 있습니다. (우리의 실험에서 0.5 토르 Kr을) 버퍼 가스를 추가하면 어느 정도 확산의 효과를 감소시킨다. 너무 많은 버퍼 가스는, 그러나, 31을 확대 충돌하는 작은 증가 할 것이다. 이 12 증가상기 펌프의 효율을 감소 oherence 및 제어 필드 흡수. 횡 방향 확산의 영향을 감소시키는 또 다른 방법은 프로브 및 제어 필드의 횡 단면도를 확대하여 상호 작용 부피를 증가시키는 것이다. 이 접근법은 결국 셀 벽과 비탄성 충돌에 의해 제한 될 것이다. 이 경우에, 셀 벽은 탄성 벽에 충돌을 제공하므로 원자 히어 런스 시간 바로, antirelaxation 재료 (32, 33)으로 코팅 될 수있다. 적절한 벽 코팅을 사용하고, 거의 셀의 단면을 덮도록 상기 레이저 빔의 크기를 증가 벽 비탄성 충돌을 최소화하여, 하나는 저장 시간에 횡 방향 확산로부터 최소 효과를 누릴. 종의 확산은 긴 저장 시간에 지배적 인 결 어긋남 효과가 있습니다. 종 방향 확산 원자가 감소 reph 초래할 수 축적 시간 동안 서로 다른 자기장 강도를 경험하는 원인asing 효율. 종 방향의 확산을 제어하는​​ 한 가지 방법은 광 자기 트랩 (MOT)에서 냉각 된 원자와 같은 차가운 원자 앙상블을 사용하는 것이다. 즉, 그러나 차가운 원자 구름을 제어에 관련된 실험 복잡성의 새로운 층을 필요로한다. 이것은 우리가 현재 우리 연구실 (36)에 평가하는 시스템입니다.

양자 정보 기술에 직면 뛰어난 과제 중 하나는 양자 상태의 메모리를 구축 할 수있는 능력이다. 포토닉스 양자 컴퓨팅 하나 또는 양자 키 분배 시스템 (2)에 사용되는 퀀텀 중계기 들어,이 광 (3)의 양자 상태를 저장할 수있는 메모리를 구축하는 것을 의미한다. 이 목표를 향해 촬영 한 방법 중 하나는 제어 가능하게 약간 나중에 광을 방출하고 저장하는 방식으로 제어 될 수있는 원자의 앙상블을 사용하는 것이다. 수많은 기술이 전자 기적으로 유도 된 투명도 (EIT) 04 원자 주파수 빗 (AFC) 5, 6, 7, 4 광파 혼합 (FWM) 08 라만 흡수 9, 패러데이의 상호 작용 (10) 및 광자 에코 기술 (11, 12) 등이 개발되었다 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, ​​19. 이 논문의 초점은 Λ입니다 - 세 가지를 사용하여 작동 그라데이션 에코 메모리 (Λ-GEM)수준 &#39;Λ&#39;구조화 된 원자 미디어. 그것은 처음 2008 20에 따뜻한 RB 증기 셀에 구현되었습니다. 이 방식은 광 펄스를위한 랜덤 액세스 메모리, 21로 사용되고 있습니다,, 87 % 22의 높은 입증 효율이 양자 상태 (23)의 무소음 스토리지를 제공하고, 비선형 광학 작업 (24)을위한 플랫폼으로 어떤 약속을 보여줍니다. 우리는 또한 최근에 따뜻한 원자 증기 (25)이 메모리의 상호 작용에 대한 몇 가지 세부 사항으로가는 논문을 발표했다. 기술의 본질은 우리가 원자 광의 펄스를 흡수되도록 비균질 넓어진 원자의 앙상블을 준비한다는 것이다. 도 1a에 도시 된 바와 같이 우리의 실험에서는 우리는 라만 흡수를 사용한다. 저장되는 프로브 광은, 원자이 접지 상태 간의 간섭에 매핑 될 것이다. 퍼짐은 자기장 gradien을 적용하여 제공된다광 전파의 방향을 따라서 t,도 1b에 도시 된 바와 같이, 라만 흡수 주파수의 공간적 기울기를 유도. 저장된 펄스의 다양한 주파수 성분 따라서 선형 원자 앙상블의 길이를 따라 서로 다른 공간 위치에 매핑된다. 즉, 입력 펄스의 흡수에 의해 생성되는 원자 스핀파의 공간적 프로파일은 입력 펄스의 시간 프로파일의 푸리에 변환에 비례한다. 나중에 개요 것 같이, 이는 또한이 메모리의 흥미로운 스펙트럼 프로세싱 기능 중 일부를 가능하게하는이 주파수 구배이다. 필드 그라데이션을 반전으로, 원자 앙상블의 일관성의 진화는 시간이 반전 될 수있다. 이는 빛의 펄스의 검색을 허용한다.

<table><tbody><tr><td>티타늄-사파이어 레이저</td><td>M 제곱 레이저</td><td></td><td>SolsTiS</td></tr><tr><td>디지털 오실로스코프</td><td>Lecroy</td><td></td><td>WaveRunner 44Xi-A</td></tr><tr><td>메모리 셀</td><td>트라이어드 기술</td><td></td><td>20cm 길이, 87Rb 향상, 0.5Torr Kr 버퍼 가스, AR 코팅</td></tr><tr><td>필터 셀</td><td>트라이어드 기술</td><td></td><td>7.5cm 길이, 천연 혼합물 Rb, 버퍼 가스 없음</td></tr><tr><td>섬유 EOM</td><td>EOSpace</td><td></td><td>PM-0K5-10-PFA-UL</td></tr><tr><td>AOM</td><td>AA 광전자</td><td></td><td>MT80-A1-IR</td></tr><tr><td>AOM 드라이브 구성 요소</td><td>미니 회로</td><td></td><td>증폭기 ZHL-1-2W</td></tr><tr><td></td><td>미니 회로</td><td></td><td>믹서 ZAD-6</td></tr><tr><td></td><td>애질런트</td><td></td><td>80MHz 신호 소스 33250A</td></tr><tr><td>캐비티</td><td></td><td></td><td>맞춤형 삼각형 링 캐비티. FSR = 600MHz, Finesse = 100. 플랫 미러(입력 및 출력용) Advanced Thin Films에 의한 IBS 코팅. 백 미러는 1m ROC Newport Supermirror (R>99.97%),</td></tr> <tr><td>포토다이오드,</td><td>Hamamatsu</td><td></td><td>S3883</td></tr>, <tr><td>전류 스위치,</td><td>전자 설계 및 연구</td><td></td><td>EDR83915/2 및 EDR8276612입니다.</td></tr></tbody></table>

온난 한 원자 증기의 그라데이션 에코 양자 메모리

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

그라데이션 에코 메모리 (GEM)는 원자 앙상블에서 빛의 광학 양자 상태를 저장하기위한 프로토콜입니다. 이러한 기술에 대한 기본 동기는 암호화 키의 보안을 보장하기 위해 하이젠 베르크의 불확실성을 사용하여 양자 키 분배 (QKD)는, 전송 거리에 제한이 있다는 것입니다. 양자 중계기의 개발 QKD 범위를 확장시킬 수있는 가능한 경로이지​​만, 중계기는 양자 메모리를 필요로 할 것이다. 우리의 실험에서 우리는 따뜻한 가스 셀에 포함 된 루비듐 87 증기의 가스를 사용합니다. 이 방식은 특히 간단합니다. 그것은 또한 주파수 대역폭 및 변속 조작과 같은 저장 상태의 메모리 정제를 가능하게 매우 다양한 방식이다. GEM 프로토콜의 기초는 자기장 변화에 준비되어 원자의 앙상블로 빛을 흡수하는 것입니다. 이 그라데이션의 반전은 원자 편광 rephasing 및 저장 광학 상태에 따라서 리콜로 연결됩니다. WE 우리 원자이 그라데이션을 제조 방법을 간략하게 설명하고 또한 광 이득을 야기 할 수있는 특정의 4 광파 혼합에 피해야 할 함정의 일부를 설명한다.

1. 진단 도구로 라만 흡수를 사용하여 수득 첫번째 결과는 프로브 빔 광의 라만 선 흡수이다. 이 흡수 기능의 최적화는 최적의 메모리 성능을 달성하는 방향으로 먼 길을갑니다. 자기 구배 코일 스위치를 끄고, 제어 주파수는 약한 연속 프로브 파의 존재를 스캔 할 수있다. 프로브 빔의 흡수를 직접 원자 셀의 광학 밀도와 관련된다. 그에 따라, 제어 광의 셀, 전력 및 단일 광자 디 튜닝의 온도는 최상의 라만 흡수를 제공하는 반복 과정을 통해 최적화 될 수있다. 너무 많은 제어 - 빔 전력의 흡수를 증가시킬뿐만 아니라, 라인의 폭을 확장한다. 최적화 할 경우, 폭은 우리의 시스템에서 100 kHz에서의 순서이다. 그라데이션 코일 중 하나에 전환 라만 라인을 확대 할 것이다. 확대 흡수 폭은 제지광산 메모리의 대역폭을 제공합니다. 절충안은 광 메모리 효율성에 영향을 미치는 밀도 및 메모리 대역폭 사이에 만들 수있다. 프로브 전송은 메모리 대역폭이 약 1 MHz로 설정되어도 5에서 우리 넓어 라만 라인 중 하나에 대해 표시된다. 동시에 자기 그라데이션 코일에 전환, nonbroadened 흡수 선폭을 복구 할 수 있어야합니다. 전류 크기 또는 자기장의 공간적 비균질성의 모든 불일치 라만 흡수 넓어 왜곡에 직접 반영된다. 2. 펄스 저장 메모리에 대한 간단한 구성은 단일 펄스 저장 및 검색합니다. 도 6에 도시 된 바와 같이 즉, 재생 시간이 마이크로 초 펄스를 수납하고 자기 구배 코일보기 펄스 피크 후에 3 마이크로 초 스위칭, 예를 들어, 일 것. 광학 밀도가 낮 으면, 일부 가벼운 leakaGE는 매체의 광학 밀도 (OD)에 따라 관찰됩니다. 정중 메모리 매개 변수를 조정하는 것은 고성능 스토리지를 얻는 것이 필수적이다. 이것은 메모리 셀의 온도의 최적화를 포함 프로브 및 제어 필드 사이 조심 배향은 빔의 정확한 편광을 보장 흡수 및 산란 간의 최상의 절충을 찾을 수 있도록 제어 광의 강도를 조정 및 주파수 조정 프로브 및 제어 빔. 이러한 최적화 방법은 상기 논의 섹션에서 설명된다. 이러한 모든 매개 변수가 잘 조정되면 4 마이크로 초 (22)의 축적 시간에 대해 80 %를 초과하는 효율을 기대할 수있다. 스토리지의 효율은 호출의 에코 에너지와 메모리에 저장되지 않은 동일한 펄스의 에너지 사이의 비율로서 정의된다. 이것은 효과적으로 인해 표면 또는 absorpt에 프레 넬 반사에 인스턴스 선형 손실의 영향을 축소 인자필터링 셀 이온. 헤테로 다인 검출을 사용하는 경우, 펄스 에너지는 헤테로 다인 신호를 제곱하고 펄스의 봉투의 영역을 측정함으로써 측정된다. 검색된 펄스의 주파수 및 대역폭은 구배 코일에 주입 전류에 의존한다. 이러한 전류의 간단한 조작 검색 펄스의 미세 조정을 할 수 있습니다. (예 29에서 설명한 것과 같은) 더 복잡한 스펙트럼 조작은 메모리 따라 기울기가 독립적으로 위치 및 시간의 함수로서 조정될 수 고급 코일 설정을 사용하여 수행 할 수있다. <img alt="그림 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig1.jpg" width="500px" /> 그림 1. ) 메모리에 사용되는 87 RB D 1 줄에서 수준 구성표. 프로브 광은 라만은 일관성 내기를 만들 흡수<html> F = 1 및 F = 2 접지 상태과 사이. b) 자기장 변화는 셀의 길이를 따라 접지 상태의 공간적 종속 디 튜닝을 준다. 그라데이션을 반전과의 컨트롤 빔을 돌리면 저장 프로브 빛의 리콜을 제공합니다. ([34]에서 발췌). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig1highres.jpg" target="_blank">더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <img alt="그림 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig2.jpg" width="500px" /> 그림 2. 광 모드 청소기의 개략도.에 대한 설명 방법 섹션을 참조하십시오. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig2highres.jpg" target="_blank">더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . ig3.jpg &quot;폭 =&quot;는 500px &quot;/&gt; 그림 3. 실험 장치의 개략도 AOM = 음향 광학 변조기;. EOM = 전기 광학 변조기, BS = 빔 스플리터, λ / 4 = 4 파장 판. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig3highres.jpg" target="_blank">더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <img alt="그림 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig4.jpg" width="500px" /> 그림 4. 메모리의 일반적인 타이밍 시퀀스. (35에서 찍은). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig4highres.jpg" target="_blank">더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <img alt="그림 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig5.jpg" width="500px" /> 그림 5. 전형적인 헤테로 다인 라만 라인을 확대 할 때 번째의 일전자 자기 그라데이션 코일에 전환됩니다. 데이터 (얇은 실선) 헤테로 다인 측정을 사용하여 촬영하고 있습니다. 진동 프로브 빛과 국부 발진기 등의 구타에 의한 것입니다. 파선 곡선은 확장 된 라만 라인의 형상이있는 데이터의 포락선을 나타낸다. (25에서 수정). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig5highres.jpg" target="_blank">더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <img alt="그림 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig6.jpg" width="500px" /> 그림 6. 짧은 저장 시간에 대한 일반적인 평균 효율 GEM 에코. 자기 그라데이션 코일이 t에서 전환 = 10 마이크로 초 (점선). 레드 : 입력 펄스 강도 프로파일. 블루 : 메모리의 강도 출력은 빛을 유출 시연 (적색 입력 펄스에서 명백한입니다)와 t의 오른쪽에 표시되는 반향을 불러그는 파선. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig6highres.jpg" target="_blank">더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오</a> . <img alt="그림 7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig7.jpg" width="500px" /> 그림 7. 4 광파 각종 제어 필드 전력과 셀 온도가, 라만 라인을 스캔 할 때, 효과를 믹싱.들이 효과를 극대화 할 수 있도록이 수치는, 제어 필드 및 프로브 빔의 편광이 선택된 들어. PC의 제어 광 전력이다. (25에서 수정). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig7highres.jpg" target="_blank">더 큰 이미지를 보려면 여기를 클릭하십시오</a> .

구배 에코 메모리 원자 앙상블 광의 광학 양자 상태를 저장하기위한 프로토콜이다. 양자 메모리는 양자 키 분배의 범위를 확장 할 수있는 양자 중계기의 핵심 요소이다. 3 - 레벨 원자 앙상블에서 구현 될 때 우리 방식의 동작 개요.

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

이 실험 절차의 전체적인 목표는 자기장 기울기를 이용하여 온도가 높은 루비듐 증기 내에 빛 펄스를 저장하고 다시 불러오는 것입니다. 이를 위해 먼저 전기 광학 변조기와 광학 공동을 사용하여 루비듐 증기에서 라만 흡수에 필요한 주파수의 광선을 생성합니다. 두 번째 단계에서는 광학 변조기를 사용하여 메모리에 저장될 펄스의 모양을 형성하고, 라만 흡수를 가능하게 하는 제어 빔의 주파수를 미세 조정합니다.다음으로, 광 펄스는 종방향 자기장 기울기에 의해 흡수가 공간적으로 확장된 루비듐 셀에 저장됩니다. 마지막 단계는 자기장 기울기를 반전시켜 원자 결맞음의 진화를 되돌림으로써, 광자 에코 공정을 통해 저장된 광 펄스를 회수하는 것입니다. 최종적으로, 호모다인 검출을 사용하여 회수된 광자 에코의 특성을 측정합니다.기존 방법들에 비해 이 기술의 주요 장점은 입증된 효율성이 가장 높다는 점입니다. 도메인 특유의 메모리 성질 덕분에 광 펄스의 주파수 성분을 가스 셀의 길이를 따라 저장할 수 있습니다. 이렇게 저장된 메모리는 저장된 빛의 스펙트럼 조작에 활용될 수 있습니다.두 개의 링 공진기를 맞춤 제작하여 실험을 준비합니다. 캐비티 스페이서로 사용할 벌크 알루미늄 소재의 중공 실린더를 선택합니다. 이 실린더의 길이는 약 25 centimeters입니다.반사율이 동일한 두 개의 평면 거울을 엔드 캡에 준비합니다. 정밀 가공을 통해 이를 공동 스페이서(cavity spacer)의 한쪽 끝에 장착합니다. 거울을 접착제로 고정할 필요는 없습니다.다음으로, 공동 스페이서(cavity spacer)의 반대편 끝단 캡에 O 링을 배치합니다. O 링 위에 최대 반사율의 곡면 거울을 놓습니다. 거울 위에 피에조 전기 액추에이터(piezoelectric actuator)를 설치하고 끝단 캡을 공동 스페이서에 장착하며, 끝단 거울의 빠른 구동이 가능하도록 끝단 캡의 구성 요소들을 공동 스페이서 쪽으로 압착합니다.이제 메모리 장치 작업을 시작합니다. 여기에는 동위원소 강화 rubidium 87과 0.5 tor의 Krypton 버퍼 가스가 포함된, 반사 방지 코팅 윈도우가 있는 20 centimeters 길이의 롱 셀을 사용하며, 실험을 위해 비자성 가열 와이어로 감싼 셀을 사용하십시오. 이 도식에서 녹색으로 표시된 메모리 셀은 세 개의 동심 솔레노이드로 둘러싸이게 됩니다.선형적으로 변화하는 자기장을 생성하도록 설계된 가변 피치의 동일한 내부 솔레노이드 두 개가 있습니다. 이들은 각 자기장의 기울기가 서로 반대 방향이 되도록 설치되어 있습니다. 솔레노이드 간의 전환을 통해 원자 앙상블 내의 기울기를 반전시키면, 광 펄스의 재위상 정렬과 메모리로부터의 빛 회수가 강제됩니다.세 번째 외부 솔레노이드는 XEOMIN 준위의 축퇴를 해제하기 위해 DC 자기장을 생성합니다. 내부 솔레노이드를 제작하기 위해 시뮬레이션을 사용하여 필요한 가변 피치 스파이럴을 결정하고 그 도면을 출력하십시오. 전선 권선을 위한 가이드로 활용할 수 있도록 출력한 도면을 PVC 파이프에 감으십시오.코일은 가장자리 효과를 피하고 주로 종방향 자기장을 갖도록 설계해야 합니다. 세 개의 솔레노이드를 감고 조립한 후, 뮤메탈(mu metal) 두 층으로 자기 차폐를 합니다. 본 실험에서는 795 nanometers의 Rubidium D1 선 근처로 조정된 단일 모드 레이저를 사용합니다.빔 분할기를 사용하여 주파수를 모니터링하고, 루비디움의 천연 동위원소 비율이 포함된 가열된 셀에 빔을 통과시킵니다. 제어 빔의 근사 주파수를 얻기 위해 F=2에서 F'=2 전이보다 약 1.5 GHz 높은 주파수에서 카메라를 이용해 공명 근처의 산란을 관찰합니다. 다음으로 광 경로를 따라 빔 분할기를 사용하여 제어 빔과 프로브 빔을 형성합니다.프로브 빔은 파이버 결합 전기 광변조기와 링 공동(ring cavity) 중 하나를 계속 통과합니다. 6.8 gigahertz 마이크로파 소스로 구동되는 파이버 결합 전기 광변조기를 사용하여 프로브 빔을 제어 빔(control beam)으로부터 디튜닝(detune)하십시오. 양의 6.8 gigahertz 사이드밴드에서 링 공동을 공명 상태로 잠금(locking)하여 사이드밴드를 제거하십시오.다음 빔 분할기는 프로브 빔을 광학 변조기로 유도하여 주파수와 강도를 정밀하게 제어할 수 있도록 합니다. 변조기는 변조된 가우시안 파형으로 구동되어 셀에 저장하기 위한 정밀한 빛 펄스를 생성합니다. 프로브 빔이 두 번째 링 공진기를 통과하도록 유도하십시오.캐비티의 역방향 모드로 주입된 보조 잠금 빔을 사용하여 캐비티를 프로브 빔 주파수에 잠급니다. 제어 빔이 반사되는 캐비티의 출력 거울에서 프로브 빔과 제어 빔을 다시 결합합니다. 메모리 셀에 진입하기 전, 1/4 파장판(quarter wave plate)을 사용하여 결합된 프로브 빔과 제어 빔이 동일한 근사 원편광을 갖도록 조정합니다. 메모리 셀 이후에는 140 °C의 루비듐 천연 혼합물이 채워진 필터 셀을 통해 전파되는 빛에서 제어 빔을 제거합니다.그 다음, 두 번째 사분파장판을 사용하여 프로브 펄스를 거의 선형 편광으로 변환합니다. 프로브 빔을 위한 호모다인 검출 설정을 준비합니다. 메모리 셀 이후, 빔을 세 번째 광학 변조기로 유도하여 주파수를 이동시키고 검출기를 위한 국부 발진기를 제공합니다.제어 프로그램에 의해 트리거되는 고속 오실로스코프를 사용하여 실험 신호를 캡처하고 저장하십시오. 메모리 셀의 온도가 80 °C인지 확인하고 프로브 빔 출력을 조절하십시오. 실험을 위한 컴퓨터 제어 스크립트를 시작하십시오.전형적인 듀티 사이클은 약 120 microseconds이며, 사이클 초기에 오실로스코프를 트리거합니다. 처음에는 메모리 셀 주변의 내부 코일 중 하나는 켜져 있고 다른 하나는 꺼져 있어 한 방향으로 자기 경사가 형성됩니다. 프로브 빔의 펄스가 저장된 후, 경사를 반전시켜 메모리로부터 빛을 회수합니다.메모리 동작에 대한 간섭을 피하기 위해 메모리 저장 시간 동안 가스 셀 히터를 끕니다. 가능하다면 빛이 메모리에 저장되어 있는 동안 컨트롤 빔을 끕니다. 이 그림은 구배 자기 코일 중 하나가 켜졌을 때의 전형적인 헤테로다인 확장 라만 선을 보여줍니다.가는 실선은 헤테로다인 측정 데이터를 나타냅니다. 이 진동은 프로브 광과 국부 발진기 광 사이의 비트 현상으로 인해 발생합니다. 점선 곡선은 이 데이터의 포락선으로, 넓어진 라만 선의 형태를 보여줍니다.이 그래프에는 짧은 저장 시간 동안의 전형적인 평균 효율 경사 에코 메모리 신호가 나타나 있습니다. 빨간색 곡선은 입력 펄스 강도 프로필을 나타내며, 파란색 곡선은 메모리의 출력을 보여줍니다. 자기 경사 코일은 10 microseconds에서 전환되었습니다.회수된 에코는 점선 오른쪽에 나타납니다. 스위치 작동 전 출력의 강도가 0이 아니라는 점은 빛 누설의 증거입니다. 이 고효율 그래딩 에코 메모리는 시간 및 주파수 공간에서의 펄스 성형과 같이 다양한 실험에 활용될 수 있으며, 잠재적으로 양자 중계기를 구축하는 데 사용될 수 있습니다.고출력 레이저 작업은 매우 위험할 수 있으므로 주의하시기 바랍니다. 본 절차를 수행하는 동안에는 항상 레이저 안전 고글을 착용하십시오.

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Research

연구

JoVE Journal

Engineering

공학

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