Pamięć kwantowa echa gradientowego w ciepłej parze atomowej

Ogólnym celem niniejszej procedury jest przechowywanie i odzyskiwanie impulsu światła w ciepłej parze rubidu przy użyciu gradientów pola magnetycznego. Jest to realizowane poprzez zastosowanie modulatorów elektrooptycznych i wnęk optycznych w celu wygenerowania wiązek światła o częstotliwościach niezbędnych do absorpcji ramana w parze rubidu. Drugim krokiem jest wykorzystanie modulatorów optycznych do kształtowania impulsów, które zostaną zapisane w pamięci, a także do precyzyjnego dostrojenia częstotliwości wiązki sterującej umożliwiającej absorpcję ramana.

Następnie impulsy światła są przechowywane w komórce z rubidem, której absorpcja jest poszerzana przestrzennie przez podłużny gradient pola magnetycznego. Ostatnim krokiem jest odwrócenie gradientu magnetycznego w celu odwrócenia ewolucji koherencji atomowej, co pozwala na odczytanie przechowywanych impulsów światła poprzez proces echa fotonowego. Ostatecznie do pomiaru charakterystyki odczytanego echa fotonowego wykorzystuje się detekcję homodynową.

Główną zaletą tej techniki w porównaniu z naszymi dotychczasowymi metodami jest najwyższa wykazana wydajność. Unikalny dla danej dziedziny charakter pamięci sprawia, że składowa częstotliwości impulsów świetlnych może być przechowywana wzdłuż kuwety gazowej. Pamięć ta może być następnie wykorzystana do manipulacji widmowej zmagazynowanego światła.

Przygotuj eksperyment, wykonując dwa niestandardowe rezonatory pierścieniowe. W celu stworzenia dystansatora wnęki wybierz pusty cylinder z aluminium litego. Cylinder ten ma długość około 25 centymetrów.

Przygotuj dwa płaskie lustra o identycznej współczynniku odbicia w zaślepkach końcowych. Zamontuj je na jednym końcu odstępnika wnęki, stosując precyzyjną obróbkę mechaniczną. Lustra nie wymagają przyklejania.

Następnie umieść oring w zaślepce na przeciwległy koniec dystansera wnęki. Na oringu umieść zakrzywione lustro o maksymalnej współczynniku odbicia. Na lustrze zamocuj siłownik piezoelektryczny, a następnie zamontuj zaślepkę na dystanserze wnęki, dociskając elementy zaślepki do dystansera, aby umożliwić szybkie sterowanie lustrem końcowym.

Przejdź teraz do prac nad układem pamięci. Użyj tutaj długiej kuwety o długości 20 centymetrów z oknami z powłoką antyrefleksyjną, zawierającej izotopowo wzbogacony rubid 87 oraz gaz buforowy krypton o ciśnieniu 0,5 tor; do eksperymentów wykorzystaj kuwetę owiniętą niemagnetycznym drutem grzejnym. Kuweta pamięci, zaznaczona na zielono na tym schemacie, zostanie umieszczona w trzech koncentrycznych solenoidach.

Zastosowano dwa identyczne solenoidy wewnętrzne o zmiennym skoku, zaprojektowane w celu wytworzenia liniowo zmiennego pola magnetycznego. Są one zamontowane w taki sposób, aby gradienty odpowiednich pól znosiły się nawzajem. Przełączanie między solenoidami odwraca gradienty w zbiorze atomów, co wymusza refazowanie impulsu optycznego i odczyt światła z pamięci.

Trzeci zewnętrzny solenoid wytworzy pole magnetyczne prądu stałego w celu zniesienia degeneracji poziomów XEOMIN. W celu wykonania wewnętrznych solenoidów należy wykorzystać symulacje do określenia wymaganego skoku spirali o zmiennym kroku, a następnie wydrukować jej wykres. Należy owinąć wykres wokół rury PVC, aby służył on jako prowadnica do nawijania drutu.

Cewki powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby uniknąć efektów brzegowych i zapewnić głównie pola podłużne. Po nawinięciu i zmontowaniu trzech solenoidów należy osłonić je magnetycznie dwiema warstwami mu-metalu. W eksperymencie wykorzystano laser jednomodowy nastrojony w pobliżu linii D1 rubidu przy 795 nanometrach.

Monitoruj częstotliwość, korzystając z dzielnika wiązki i kierując wiązkę przez podgrzewaną celę zawierającą rubid o naturalnym stosunku izotopowym. Obserwuj rozpraszanie w pobliżu rezonansu za pomocą kamery, dostrajając częstotliwość o około 1.5 gigahertz powyżej przejścia F równa dwa do F prim równa dwa, aby uzyskać przybliżoną częstotliwość wiązki kontrolnej. Następnie, wzdłuż toru optycznego, użyj dzielnika wiązki, aby utworzyć wiązkę kontrolną i wiązkę sondującą.

Wiązka sondy przechodzi następnie przez sprzężony z włóknem modulator elektrooptyczny oraz jeden z rezonatorów pierścieniowych. Należy użyć sprzężonego z włóknem modulatora elektrooptycznego sterowanego mikrofalowym źródłem o częstotliwości 6,8 gigahertz, aby odstroić wiązkę sondy od wiązki kontrolnej. Pasma boczne należy wyeliminować poprzez zablokowanie rezonatora pierścieniowego w rezonansie z dodatnim pasmem bocznym 6,8 gigahertz.

Kolejny dzielnik wiązki kieruje wiązkę próbną do modulatora optycznego kuo, aby umożliwić precyzyjną kontrolę jej częstotliwości i natężenia. Modulator jest sterowany za pomocą modulowanego sygnału Gaussa, aby wytworzyć precyzyjny impuls światła do przechowywania w celi. Kieruj wiązkę próbną tak, aby przechodziła przez drugi rezonator pierścieniowy.

Zablokuj wnękę do częstotliwości wiązki sondującej, używając pomocniczej wiązki blokującej wprowadzonej do wnęki w modzie odwrotnym. Połącz ponownie wiązkę sondującą i wiązkę sterującą na lustrze wyjściowym wnęki, gdzie wiązka sterująca ulega odbiciu. Przed wprowadzeniem do komórki pamięci, dostosuj połączone wiązki sondującej i sterującej tak, aby miały identyczną, w przybliżeniu kołową polaryzację, używając ćwierćfalowej płytki korygującej. Za komórką pamięci oddziel wiązkę sterującą od propagującego się światła za pomocą ogniwa filtrującego wypełnionego naturalną mieszaniną rubidu w temperaturze 140 °C.

Następnie należy użyć drugiej ćwierćfalowej płytki korygującej, aby przekształcić impulsy próbne w polaryzację bliską liniowej. Przygotuj układ detekcji heterodynowej dla wiązki próbnej. Za komórką pamięci skieruj wiązkę do trzeciego optycznego modulatora elektrooptycznego (EOM), aby przesunąć jej częstotliwość i zapewnić oscylator lokalny dla detektora.

Użyj szybkiego oscyloskopu wyzwalanego przez program sterujący, aby zarejestrować i zapisać sygnał z eksperymentu. Upewnij się, że ogniwo pamięci znajduje się w temperaturze 80 °C i dostosuj moc wiązki sondy. Uruchom skrypt sterowany komputerowo dla danego eksperymentu.

Typowy cykl pracy trwa około 120 µs; wyzwalacz oscyloskopu uruchamia się na początku cyklu. Początkowo jedna z wewnętrznych cewek wokół komórki pamięci jest włączona, a druga wyłączona, co prowadzi do powstania gradientu magnetycznego w jednym kierunku. Po zapisaniu impulsu wiązki sondującej, należy odwrócić gradient, aby odczytać światło z pamięci.

Wyłącz grzałkę komórki gazowej podczas czasu przechowywania pamięci, aby uniknąć zakłóceń w działaniu pamięci. Jeśli to możliwe, wyłącz wiązkę sterującą, gdy światło jest przechowywane w pamięci. Rysunek ten przedstawia typową, poszerzoną heterodynowo linię ramana, gdy jedna z cewek magnetycznych gradientowych jest włączona.

Cienka linia ciągła przedstawia dane z pomiarów heterodynowych. Oscylacja wynika z interferencji między światłem sondy a światłem oscylatora lokalnego. Linia przerywana przedstawia obwiednię tych danych, czyli kształt poszerzonej linii ramenowskiej.

Na poniższym wykresie przedstawiono typowy średni sygnał pamięci echa gradientowego o określonej sprawności dla krótkiego czasu przechowywania. Czerwka krzywa obrazuje profil intensywności impulsu wejściowego, a niebieska krzywa przedstawia sygnał wyjściowy z pamięci. Przełączenie cewek gradientu magnetycznego nastąpiło w 10 microseconds.

Przywołane echo pojawia się po prawej stronie linii przerywanej. Niezerowa intensywność sygnału wyjściowego przed przełączeniem świadczy o wycieku światła. Ta wysokowydajna pamięć ech z gradingiem może być wykorzystana w różnych eksperymentach, takich jak kształtowanie impulsów w dziedzinie czasu i częstotliwości, a potencjalnie również do budowy powtarzacza kwantowego.

Należy pamiętać, że praca z laserami o dużej mocy może być niezwykle niebezpieczna. Podczas wykonywania tej procedury zawsze należy nosić okulary ochronne do laserów.