Name: Gradiente eco Quantum Memória em Warm Atomic Vapor (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-11-11T19:00:00.000+00:00
Duration: 10 min
Description: Aprenda o protocolo de memória por eco de gradiente para armazenar estados quânticos ópticos em vapor de rubídio quente. Este método demonstra alta eficiência para repetidores quânticos e distribuição de chaves.

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A pesquisa é apoiada pelo Centro Australian Research Council of Excellence para Computação Quântica e da Comunicação, número do projeto CE110001027.

1. Alguns elementos personalizados construídos <ol><li> Ressonadores anel Neste experimento, dois ressonadores anel que dividir e combinar feixes de freqüências diferentes são necessários. O desenho da cavidade está representada na fig. 2. <ol><li> Construir as ressonadores ao redor de um cilindro oco de alumínio granel. De um lado, montar dois espelhos planos com refletividade idênticos. Na extremidade oposta montar um espelho curvo máxima reflectividade. Os espelhos não precisa de ser colado a cavidade do espaçador. Com usinagem cuidadosa do espaçador, o fim-caps são suficientes para mantê-los no lugar. </li><li> Combine o espelho curvo com um atuador O-ring e piezoelétrico para permitir o controle da frequência de ressonância da cavidade. Coloque o anel de vedação entre o espelho e o espaçador da cavidade, com o piezo atrás do espelho. Comprimir esses elementos para o espaçador cavidade com o tampa para permitir a atuação rápida do espelho fim. A combinação de compressão O-ringe piezo de alta velocidade geralmente permitem a larguras de banda de controlo superior a 10 kHz. Nota: Para este exemplo, os espaçadores são de cerca de 25 cm de comprimento. Este comprimento é arbitrária, mas ela deve ser escolhida de modo a que o controlo e luz da sonda não são coresonant, o que significa que a separação hiperfina não deve ser um múltiplo de a--gama espectral livre. Devido à geometria do anel, a cavidade terá modos de polarização não degeneradas de fineza diferente. Os espelhos personalizados revestidos são especificados para proporcionar uma cavidade de fineza de cerca de 1.000-s de luz polarizada, o que leva a uma finura de cerca de 100 para o p-luz polarizada. Embora esses experimentos normalmente são realizados no modo de baixa finesse, a configuração pode ser facilmente mudado para o modo de alta finesse deve ser exigido de filtragem mais forte das vigas. </li></ol></li><li> Concepção da célula de memória e o seu alojamento <ol><li> Para construir o aparelho de memória, use um longo célula contendo isotopicamente reforçada 87 Rb along com 0,5 Torr de gás tampão Kr. Na configuração, o comprimento é de 20 cm. As janelas da célula são anti-reflexo revestido. Esta célula tem de ser aquecido a cerca de 80 ° C, utilizando um fio de aquecimento não magnético. </li><li> Encerre a célula em três solenóides concêntricos. Os dois solenóides interiores criam os gradientes de campo magnético. Para encerrar estas solenóides, realizar uma simulação usando a equação de Biot-Savart. Simule o solenóide de passo variável que irá fornecer um campo magnético variável linearmente. </li><li> Usando um programa de gráficos, imprimir um enredo desta espiral sobre um pedaço de papel. Enrole o papel em torno de um tubo de PVC para fornecer uma linha a seguir e enrole o fio no tubo. Nota: Nesta configuração as bobinas são de 50 cm de comprimento, mais de duas vezes o comprimento da célula de gás, para evitar os efeitos de borda. Os diâmetros são 6 e 10 cm, que é o dobro do diâmetro da célula, para garantir que os campos magnéticos são principalmente longitudinal. Os solenóides gradiente se opõem de modo that comutação entre eles irá mudar o sinal do gradiente (ver. Fig. 3). Numa experiência típica, 2-3 A de corrente é executado através destas bobinas e as bobinas são ligadas em 3-4 ms. </li><li> Para otimizar o tempo de comutação e parar oscilações usar 200 Ω resistores de amortecimento em série com as bobinas. Colocar estes dois solenóides no interior da terceira bobina de feridas que normalmente é usado para proporcionar um campo magnético DC para elevar a degenerescência dos níveis de Zeeman. Rubídio tem um deslocamento de cerca de 1,4 MHz / G do campo magnético 26. Um típico campo DC é de 6 L, enquanto que os gradientes seria de 2 L / m. </li><li> Colocar duas camadas de metal μ blindagem em torno dos três bobinas magnéticas para reduzir a influência do campo magnético da Terra no experimento. </li></ol></li></ol> 2. Layout da Path feixe óptico <ol><li> Use um único laser modo ligado perto da linha de rubídio D 1 a 795 nm. Monitorar a freqüênciado laser usando uma medição de absorção saturados, como mostrado na Figura 3. Desafinar a freqüência em cerca de 1,5 GHz acima da F = 2 a F &#39;= 2 transição. Esta será a frequência aproximada de controle do feixe. </li><li> No BS2 refletores, toque em alguma luz fora o laser principal para formar o feixe de controle. Mude sua freqüência usando o modulador AOM1 óptico-acústico. Este AOM também permite a modulação da potência do feixe de controle. Para conduzir o AOM, passar a saída de uma fonte de sinal de RF através de um interruptor, que é controlado por um sinal TTL, e, em seguida, amplificar o sinal antes de o enviar para o AOM. Sintonize a frequência de controle, para otimizar a absorção Raman por exemplo, alterando a freqüência de carro do OMA. A frequência de RF dos OMAs na configuração é de 80 MHz, mas isso é arbitrário. </li><li> Desafinar o feixe de prova, que será armazenado na memória quântica, por 6,8 GHz do feixe de controle, esta freqüência, sendo a divisão do estado fundamental de hiperfina87 Rb. Para preparar esta frequência, passar o laser através de um modulador electro-óptico acoplado a fibra que é accionado por uma fonte de microondas de 6,8 GHz. Isto gera uma série de bandas laterais em harmónicas de 6.8 GHz, acima e abaixo da frequência portadora. </li><li> Para se obter um feixe de sonda com uma frequência pura, separar a 6. 8 GHz luz de todas as outras bandas laterais de modulação indesejados. Para fazer isso, use uma das cavidades do anel. Bloquear Cavity 1 em ressonância com a 6. 8 GHz de banda lateral. Esta freqüência será então transmitido através do ressonador, enquanto todas as outras freqüências são refletidas, preparando-se, assim, uma freqüência pura, que irá abordar o estado F = 1 chão dos átomos de rubídio. A cavidade pode ser bloqueado usando a técnica de Pound-Drever-Hall 27], usando a luz refletida pelo espelho de entrada. </li><li> Toque fora uma parte do feixe de laser em BS3 e enviá-lo através AOM2 para permitir um bom controle da freqüência e da intensidade do feixe de prova. Lásão um par de métodos disponíveis para conduzir a OMA. Por exemplo, utiliza um gerador de sinais programável definido para gerar impulsos gaussianos modulados em 80 MHz. Alternativamente, combinar um sinal contínuo de 80 MHz com um pulso em um misturador de RF para dar um pulso modulada em 80 MHz. De qualquer maneira, este Gaussian modulado é então amplificada e enviada para o AOM para dar um pulso de luz em uma ordem difratada da OMA. Nota: A ordem difractado irá proporcionar impulsos finamente controlada de luz que podem ser armazenados na memória. A amplitude dos impulsos pode ser ajustado através de uma combinação da alimentação para a unidade de OMA e variando a razão de divisão de BS1. Isto permite a produção fiável de uma vasta gama de amplitudes de impulso e, em particular, permite a produção de impulsos muito fracas com os números de fótons média inferior a 1 23. </li><li> A próxima etapa é para recombinar os feixes sonda e controle. Isto pode ser feito com um separador de feixe simples, mas que significaria a perda de uma parte da luz.Se a polarização da sonda e de controlo foram, em seguida, ortogonal recombinação sem perdas poderia ser conseguido utilizando um divisor de feixe de polarização, mas o armazenamento só pode realmente ser optimizadas através de um controlo independente das sondas de controlo e polarizações. <ol><li> Para conseguir isso, utilizar um segundo, de alta eficiência, de correspondência de impedância, a cavidade do anel. Configurar uma cavidade de modo que o feixe de prova é transmitida através, enquanto o campo de controle é refletida no espelho de saída. Transmissão da sonda através deste segundo ressonador também fornece uma segunda camada de filtração de frequência, o que ajuda a evitar problemas com a mistura de quatro ondas. </li><li> Bloquear esta cavidade para a frequência do feixe de teste usando um feixe de fecho auxiliar (linha a tracejado), que é injectado no modo reverso da cavidade. Ajuste este feixe para uma frequência, polarização diferente e modo espacial do feixe de prova de modo a que possa ser detectado em reflexão sem afectar adversamente o feixe de sonda. A razão para isto é o esforço que eleé extremamente difícil de usar o baixo consumo de energia, feixe de prova pulsada para bloquear a cavidade. As vigas de controlo e de teste são colimada antes da célula de memória de 7 mm e 3 mm de tamanho, respectivamente. </li><li> O poder campo de controle antes de a célula de memória é de aproximadamente 270 mW e poder sondar podem ser escolhidos a partir de zero a poucos microwatts, dependendo do experimento prazo. Usando uma placa de quarto de onda, ajustar a polarização dos feixes de sonda e de controlo combinados para ser (aproximadamente) circular e do mesmo helicidade. Injecta-se o aparelho de célula de gás de memória. </li></ol></li><li> Controlar o tempo de todos os elementos da experiência utilizando um programa LabVIEW 28. Um ciclo de trabalho típico seria 120 ms. Ligue o aquecedor desligado durante o tempo de armazenamento de memória para evitar a interferência com o funcionamento da memória. Uma sequência de temporização típica é mostrada na Figura 4. Quando possível, mudar o feixe de controlo fora enquanto a luz é armazenado na memória. Em uma célula de gás quente, embora ªe Raman transição é afinado do estado animado para além da largura Doppler, o campo de controle ainda pode ser uma fonte significativa de decoerência na memória devido à probabilidade não-zero do espalhamento Raman espontâneo. O espalhamento Raman é diretamente proporcional à potência campo de controle e inversamente ao detuning quadrado. Se o campo de controlo é mantido durante todo o tempo de armazenamento, que pode interagir com os dois membros inferiores e destruir a coerência com a taxa exponencial definida pela dispersão. Isto é explicado mais adiante na seção de discussão. </li><li> Depois de armazenamento e recuperação, passar a sonda através de uma célula de filtragem a fim de tirar o campo de controle do feixe. É possível utilizar uma célula com uma mistura natural de Rb. O Rb 85 domina e absorve fortemente na freqüência do feixe de controle, fornecendo 60 dB de supressão. O feixe de prova é atenuado muito menos, tipicamente 1,4 dB. Usar uma célula 75 milímetros de comprimento, aquecida a 140 ° C.Uma célula com isotopicamente reforçada Rb 85 levaria a uma menor absorção da sonda. </li><li> O passo final é a detecção dos impulsos de sonda, utilizando um homodinas ou detecção heteródina. A vantagem deste método de detecção é que o modo seletivo é tão pouco de luz controle residual não terá impacto sobre as medições. O eco tem uma polarização (quase) circular que é feito usando uma combinação linear placa half-wave/quarter-wave. <ol><li> Para produzir o oscilador local, toque fora de uma parte do feixe de BS4 e mudar sua freqüência usando AOM4. Guarde o sinal a partir da configuração homodinas ou heterodyne usando um osciloscópio rápido, acionado para o programa de controle do LabVIEW. </li></ol></li></ol>

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</ol>

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Uma condição necessária para uma elevada eficiência de memória é um alto OD [30]. O diâmetro externo da Λ-GEM é proporcional ao factor de Raman Ω_c 2 / Δ 2, onde Ω_c é a frequência de Rabi campo de acoplamento e Δ é a dessintonização Raman do estado animado. A taxa de espalhamento Raman espontâneo também é proporcional ao fator de Raman e não há, portanto, um trade-off entre a obtenção de alta absorção e de espalhamento de baixas perdas. Para encontrar os melhores ajustes para o campo de controle de energia, desafinação e gás temperatura usamos um processo iterativo. As perdas de dispersão pode ser atenuado, em certa medida, desligando o controle do feixe, durante o armazenamento, depois do impulso é totalmente absorvido. Profundidade óptica também é afetada pelo estado interno dos átomos. Idealmente, gostaríamos de ter tantos átomos quanto possível no nível hiperfino F = 1 para aumentar a absorção da sonda. O feixe de controle também desempenha aqui um papel, uma vez que actua para bombear átomos de F = 2 aF = 1 níveis. Isto não é muito eficiente, em virtude da dessintonização, mas o feixe de controle é poderosa e pode ser deixado por longos períodos de tempo entre as experiências de armazenamento de pulso. A largura da linha Raman em nosso experimento é em torno de 100 kHz, que é principalmente um resultado da ampliação de energia causada pelo campo de controle. Isto quase que corresponde à taxa à qual os átomos são bombeados da F = 2 para o estado hiperfina F = 1. No entanto, haverá uma população deixada em mf = 2 (ou -2, dependendo do sinal da polarização circular) de nível hiperfina F = 2, devido à falta de transições ópticas desejados. O OD também irá depender fortemente da temperatura da célula, o que determina o número de átomos na fase gasosa. Usamos uma temperatura de cerca de 78 ° C, medida no centro da célula. Percebemos que em nosso celular, o aumento da temperatura além de 85 ° C pode resultar em alguma absorção do campo de controle, bem como algumas absorção incoerente of thsinal e sonda. O aquecedor é desligado durante a execução experimental para evitar perturbar o campo magnético no interior da célula. Polarizações das duas áreas de sonda e de controlo também desempenham um papel crucial na eficiência de absorção da memória. A linha de transição D1 de 87Rb tem dois estados excitados hiperfinos com um total de 8 subníveis Zeeman. Em princípio, a escolha de polarizações circulares idênticos tanto para a sonda e os campos de controlo garante que apenas interagem com o nível de estado animado mf = 2 (ou -2), F &#39;= 2. As polarizações lineares ou elípticas dos campos de laser dar origem a Raman acoplamento através de outros sub-níveis Zeeman de F &#39;= 1, 2. Isto irá resultar na ampliação e assimetria na forma de linha de Raman, devido às diferentes constantes de acoplamento e ac Stark deslocamentos das várias transições. Infelizmente, sonda e controle polarizada campos circulares identicamente preparados antes que a memória pode experimentar diferentes polarização auto-rotations como eles se propagam através da memória. Este efeito é mais pronunciado na mídia OD altos, o que temos em nosso experimento. Isso significa que o ajuste fino da sonda e controle do feixe de polarização é necessária para neutralizar o impacto da auto-rotação. Para complicar ainda mais, um processo degenerado de mistura de quatro ondas (FWM) às vezes pode ser visto quando se trabalha com grande OD 25. Isto pode fazer com que a amplificação e, consequentemente, introduzir ruído para o estado da memória de saída. Em particular, quando a polarização linear é usado tanto para o controle e vigas de sonda, o efeito FWM pode ser muito maior, devido à excitação Raman através de vários estados excitados. As condições sob as quais o processo é FWM ou aprimoradas ou suprimidos no nosso sistema estão resumidos na Ref. 25. O impacto da FWM pode ser mitigado por, mais uma vez, o ajuste fino da polarização dos feixes sonda e controle. Desta forma, os processos de FWM pode ser reduzida ao ponto em que eles fazemNão adicionar ruído à lembrou luz 23. No que diz respeito ao FWM, vale a pena notar que as duas cavidades desempenham um papel importante para a supressão da GHz lateral -6,8 gerado pela fibra-MOE que seria de outra forma o processo de semente FWM. Tanto a auto-rotação e FWM afectar a forma da linha de Raman alargado. Após ajuste fino, pode-se conseguir uma característica de absorção bastante simétrico, aproximadamente de forma rectangular, como mostrado na Figura 5. Isto contrasta com o caso mostrado na Figura 7, onde as polarizações foram escolhidas para demonstrar o impacto de FWM. Aqui o recurso de Raman é altamente assimétrica. Como mencionado anteriormente, uma célula Rb abundância natural foi usada para filtrar o feixe de controlo e transmitir o feixe de sonda para a secção de detecção. Devido à alta temperatura desta célula, percebemos que as correntes de ar ao redor das janelas das celas causar variação na visibilidade franja da detecção heteródino, resulting em flutuações do sinal. Este efeito tem sido minimizado mediante a aplicação da detecção heteródina imediatamente após a célula de filtragem e reduzir as correntes de ar em torno das janelas celulares utilizando o design forno apropriado. Observou-se uma perda de sonda de cerca de 30% através da célula de filtragem, devido às reflexões de Fresnel a partir das janelas e à absorção por 87 átomos de Rb na célula de filtragem. Esta perda pode, potencialmente, ser reduzido pelo uso de revestimentos anti-reflexo sobre as janelas de célula e usando puro 85 Rb, em vez de uma mistura natural de Rb. Numa célula de vapor quente, a difusão é uma das principais limitações para o tempo de armazenamento. Após a absorção de luz, os átomos podem difundir para fora da região coerente, apagando assim parcialmente a informação armazenada. Adicionando um gás tampão (0,5 Torr Kr, na nossa experiência) reduz o efeito de difusão, em certa medida. Gás tampão muito, no entanto, vai aumentar colisão ampliando 31. Isso aumenta dezembroabsorção campo OERÊNCIA e controlo, o que reduz a eficiência da bombagem mencionado acima. Outra maneira de reduzir o efeito de difusão transversal é aumentar o volume de interacção, alargando os perfis transversais de campos de sonda e de controlo. Esta abordagem irá, eventualmente, ser limitada por colisões inelásticas com as paredes das células. Neste caso, as paredes celulares podem ser revestidos com materiais antirelaxation 32, 33, para fornecer as colisões elásticas nas paredes e, por conseguinte, aumentar o tempo de coerência atómica. Ao minimizar a colisão parede inelástica utilizando revestimentos de paredes adequados e aumentando o tamanho do feixe de laser para praticamente cobrir a secção transversal das células, seria de esperar efeitos mínimos de difusão transversal sobre o tempo de armazenamento. Difusão longitudinal pode, em seguida, tornar-se o efeito decoerência dominante em tempos de armazenamento de comprimento. Difusão longitudinal faz com que os átomos de experimentar diferentes intensidades de campo magnético durante o tempo de armazenamento, que pode resultar em Reph reduzidaeficiência asing. Uma forma de controlar a difusão longitudinal seria a utilização de um conjunto atómica frio, tais como átomos que foram arrefecidas numa armadilha magneto-óptica (MOT). Isso, no entanto, requer uma nova camada de complexidade experimental envolvido no controle frio nuvem atômica. Este é um sistema que estamos atualmente avaliando em nosso laboratório 36.

Um dos desafios enfrentados pendentes tecnologia da informação quântica é a capacidade de construir uma memória para estados quânticos. Para fotônico quântico de computação 1, ou um repetidor quântico usado em um sistema de distribuição quântica de chaves 2, isso significa a construção de uma memória que pode armazenar estados quânticos da luz 3. Uma das abordagens para este objectivo é a utilização de conjuntos de átomos que podem ser controlados de tal forma que para guardar e, em seguida, libertar controladamente luz em algum tempo mais tarde. Várias técnicas foram desenvolvidas, incluindo a transparência eletromagneticamente induzida (EIT) 4, a freqüência pente atômica (AFC) 5, 6, 7, a mistura de quatro ondas (FWM) 8, 9 absorção Raman, a interação Faraday 10 e fótons técnicas de eco 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, ​​19. O foco deste trabalho é Λ - Gradiente eco Memória (Λ-GEM), que trabalha com trêsMídia atômicas estruturadas em nível de &quot;Λ&quot;. Ele foi inicialmente implementado em uma célula de vapor de Rb quente em 2008 20. Este esquema tem sido usado como uma memória de acesso aleatório para pulsos de luz, 21 anos, tem uma eficiência demonstrada tão alta quanto 87% 22, fornece armazenamento silencioso de estados quânticos 23 e mostra alguma promessa como uma plataforma para operações ópticos não-lineares 24. Temos também publicou recentemente um artigo que vai para algum detalhe sobre a interação deste com a memória quente vapor atômico 25. A essência da técnica é que se preparar um conjunto de átomos que é homogénea alargado, de modo que os átomos irá absorver um pulso de luz. Na nossa experiência utilizamos absorção de Raman, como mostrado na figura 1a. A luz da sonda, que é para ser armazenada, vão ser mapeados a coerência entre dois estados fundamentais dos átomos. A ampliação é fornecida através da aplicação de um campo magnético gradient ao longo da direcção de propagação óptica, induzindo um gradiente espacial nas frequências de absorção de Raman, como mostrado na Figura 1b. Os diferentes componentes de frequência do pulso armazenados são assim mapeada para diferentes localizações espaciais linearmente ao longo do comprimento do conjunto atómica. Em outras palavras, o perfil espacial da onda de spin atómica que é gerado pela absorção do impulso de entrada é proporcional à transformada de Fourier do perfil temporal do impulso de entrada. Como vamos delinear mais tarde, é o gradiente de freqüência que também permite que algumas das capacidades de processamento espectrais interessantes desta memória. Ao inverter o gradiente de campo, a evolução da coerência do conjunto atômico pode ser revertida a tempo. Isso permite a recuperação do pulso de luz.

<table><tbody><tr><td>Laser de titânio-safira</td><td>M Squared Lasers</td><td></td><td>SolsTiS</td></tr><tr><td>Osciloscópio digital</td><td>Lecroy</td><td></td><td>WaveRunner 44Xi-A</td></tr><tr><td>Célula de memória</td><td>Tecnologia</td><td></td> de tríade <td>20 cm de comprimento, 87Rb aprimorado, 0,5 Torr Kr gás tampão,</td></tr><tr><td>Célula de filtro</td> revestida <td>com AR Tecnologia</td><td></td> de tríade <td>7,5 cm de comprimento, mistura natural Rb, sem gás</td></tr> <tr><td>tampãoComponentes</td> de acionamento Fibra <td>EOM 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 Componentes de</td><td></td> acionamento <td>Minicircuitos</td><td>Amplificador ZHL-1-2W</td></tr><tr><td></td><td>Minicircuitos</td><td></td><td>Mixer ZAD-6</td></tr><tr><td></td><td>Agilent</td><td></td><td>80 MHz fonte de sinal 33250A</td></tr><tr><td>Cavidades</td><td></td><td></td><td>Cavidade triangular feita sob medida do anel. FSR = 600 MHz, Finesse = 100. Espelhos planos (para entrada e saída) Revestimento IBS da Advanced Thin Films. O espelho traseiro é de 1 m ROC Newport Supermirror (R>99.97%)</td></tr><tr><td>Fotodiodos</td><td>Hamamatsu</td><td></td><td>S3883</td></tr><tr><td>Interruptores de Corrente</td><td>Design Eletrônico e Pesquisa</td><td></td><td>EDR83915/2 e EDR8276612</td></tr></tbody></table>

gradiente eco quantum memória em warm atomic vapor

Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor

Gradiente de memória echo (GEM) é um protocolo para o armazenamento de estados quânticos ópticas de luz em ensembles atômicos. A principal motivação para esse tipo de tecnologia é que a distribuição quântica de chaves (QKD), que usa da incerteza de Heisenberg para garantir a segurança de chaves criptográficas, é limitado na distância de transmissão. O desenvolvimento de um repetidor quântico é um caminho possível para aumentar o alcance QKD, mas um repetidor vai precisar de uma memória quântica. Em nossos experimentos, usamos um gás de rubídio 87 vapor que está contido em uma célula de gás quente. Isso torna o sistema particularmente simples. É também um regime altamente versátil, que permite refinamento na memória de estado armazenado, tais como o deslocamento de frequência de largura de banda e de manipulação. A base do protocolo de GEM é de absorver a luz para um conjunto de átomos que foram preparadas de um gradiente de campo magnético. A reversão deste gradiente leva a rephasing da polarização atômica e, assim, recordação do estado óptico armazenado. We irá descrever como nos preparamos os átomos e este gradiente e também descrever algumas das armadilhas que devem ser evitadas, em particular de mistura de quatro ondas, o que pode dar origem a ganho óptico.

1. Usando a absorção Raman como uma ferramenta de diagnóstico O primeiro resultado para obter uma absorção linha Raman da luz feixe de prova. Otimização desse recurso absorção vai um longo caminho para atingir o melhor desempenho da memória. Com as bobinas magnéticas gradiente desligado, a freqüência de controle pode ser verificado na presença de uma fraca onda sonda contínua. A absorção do feixe de sonda está directamente relacionada com a densidade óptica da célula atómica. Com base nisso, a temperatura da célula de alimentação do feixe de controlo e único desafinação fotões pode ser optimizado por meio de um processo iterativo para dar o melhor possível a absorção de Raman. Poder de controle de feixe muito irá aumentar a absorção, mas também ampliar a largura da linha. Quando optimizado, a largura é da ordem de 100 kHz no nosso sistema. Ligar uma das bobinas de gradiente vai alargar a linha de Raman. A largura da absorção ampliada dissuadirminas a largura de banda da memória. Um compromisso, em seguida, tem de ser feita entre a densidade óptica, o que afeta a eficiência da memória e largura de banda de memória. A transmissão da sonda é mostrado para uma das nossas linhas Raman ampliaram na Figura 5, onde a largura de banda de memória está definida para cerca de 1 MHz. Ligar os dois rolos magnéticos de gradiente, ao mesmo tempo, a largura da linha de absorção nonbroadened deve ser recuperado. Qualquer desequilíbrio na magnitude atual ou heterogeneidade espacial dos campos magnéticos irão refletir diretamente em uma ampliação e distorção da absorção Raman. 2. Armazenamento de pulso A configuração mais simples para a memória é o armazenamento de pulso único e recuperação. Isso seria, por exemplo, armazenar os impulsos de duração de 2 ms e alternando as bobinas magnéticas gradiente 3 ms após o impulso de pico, como se mostra na Figura 6. Se a densidade óptica é baixo, cerca de luz leakage será observada em função da densidade óptica (DO) do meio. Ajustando cuidadosamente os parâmetros de memória é essencial para a obtenção de armazenamento de alta eficiência. Isto inclui a otimização da temperatura da célula de memória, o alinhamento cuidadoso entre a sonda e o campo de controle, ajustar a intensidade do feixe de controle para encontrar o melhor compromisso entre a absorção e espalhamento, garantindo a polarização correta das vigas e ajustar as freqüências de a sonda e controle vigas. Este método de otimização é explicado na seção de discussão. Os ganhos de eficiência superiores a 80% para um tempo de armazenamento de 4 ms 22 pode ser esperado, quando todos estes parâmetros estão bem sintonizado. A eficiência do armazenamento é definida como a relação entre a energia do eco recuperado e a energia de um impulso idênticos que não tenha sido armazenada na memória. Este factores eficazmente o efeito de perdas lineares, por exemplo, devido a reflexões de Fresnel nas superfícies ou absorptíon na célula de filtragem. Quando se utiliza uma detecção heteródina, a energia dos impulsos é medida por quadratura do sinal heteródino e medindo as áreas dos envelopes do pulso. A frequência e largura de banda do pulso recuperado depende da corrente injectada nas bobinas de inclinação. Simples manipulação destas correntes permite a sintonia fina do pulso recuperado. Manipulações espectrais mais complexos (tais como aquelas descritas em 29) pode ser feito utilizando uma configuração de bobina mais avançada em que o gradiente ao longo da memória pode ser ajustado em função da posição e do tempo de forma independente. <img alt="Figura 1" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig1.jpg" width="500px" /> Figura 1. a) O esquema de nível dentro do 87 Rb D 1 linha usada na memória. A luz sonda é absorvido Raman para criar uma aposta coerência<html> ween o F = 1 e F = 2 solo-estado. b) O gradiente de campo magnético dá detuning espacialmente dependente da terra-estados ao longo do comprimento da célula. A inversão do gradiente e transformando o feixe de controle sobre dá recordação da luz sonda armazenado. (Adaptado de [34]). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig1highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a imagem ampliada</a> . <img alt="Figura 2" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig2.jpg" width="500px" /> Figura 2. Esquema de um modo mais limpo óptica. Consulte a seção Métodos para uma descrição. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig2highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a imagem ampliada</a> . &quot;width =&quot; ig3.jpg 500px &quot;/&gt; Figura 3. Esquemática da instalação experimental AOM = acústico-ótico modulador;. MOE = Electro-Optic modulador; BS = Refletor; λ / 4 = placa de quarto de onda. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig3highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a imagem ampliada</a> . <img alt="Figura 4" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig4.jpg" width="500px" /> Figura 4. A seqüência temporal típico para a memória. (Extraído de 35). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig4highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a imagem ampliada</a> . <img alt="Figura 5" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig5.jpg" width="500px" /> Figura 5. Heterodyned típica ampliou linha Raman quando um dos poe bobinas magnéticas inclinação é ligado. Os dados (linha sólida fina) é feita usando medição heteródino. A oscilação é, devido ao batimento entre a luz e sonda de luz de oscilador local. A curva a tracejado mostra o envelope de dados, que é a forma da linha de Raman alargado. (Modificado de 25). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig5highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a imagem ampliada</a> . <img alt="Figura 6" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig6.jpg" width="500px" /> Figura 6. Eco-eficiência típica média GEM para tempo de armazenamento curto. As bobinas magnéticas gradiente são ligadas em t = 10 ms (linha tracejada). Vermelho: perfil de intensidade de entrada de impulsos. Azul: saída de intensidade da memória, o que demonstra uma fuga de luz (que é aparente sob o impulso de entrada vermelho) e lembrou do eco, que aparece à direita de tele correu linha. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig6highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a imagem ampliada</a> . <img alt="Figura 7" fo:content-width="6in" src="/files/ftp_upload/50552/50552fig7.jpg" width="500px" /> Figura 7. Quatro onda efeito de mistura, ao verificar a linha de Raman, para várias potências de campo de controlo e as temperaturas da célula. Para esta figura única, as polarizações do campo de controlo e vigas de sonda foram escolhidos de forma que eles maximizar o efeito. Pc é a potência do feixe de controle. (Modificado de 25). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/50552/50552fig7highres.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver a imagem ampliada</a> .

A memória eco gradiente é um protocolo para armazenar estados quânticos ópticas de luz em ensembles atômicos. Memória quântica é um elemento-chave de um repetidor quântico, o que pode ampliar o leque de distribuição quântica de chaves. Nós delinear o funcionamento do esquema quando implementado em um conjunto atômico de 3 níveis.

Gradiente eco Quantum Memória em 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 ...

O objetivo geral deste procedimento é o armazenamento e recuperação de um pulso de luz em um vapor de rubídio aquecido, utilizando gradientes de campo magnético. Isso é conseguido primeiramente por meio de moduladores eletro-ópticos e cavidades ópticas para gerar feixes de luz nas frequências necessárias para a absorção Raman no vapor de rubídio. O segundo passo consiste em utilizar moduladores acusto-ópticos para moldar os pulsos que serão armazenados na memória, bem como ajustar com precisão a frequência do feixe de controle que permite a absorção Raman.Em seguida, os pulsos de luz são armazenados em uma célula de rubídio cuja absorção é alargada espacialmente por um gradiente de campo magnético longitudinal. O passo final consiste em inverter o gradiente magnético para reverter a evolução da coerência atômica, recuperando assim os pulsos de luz armazenados por meio de um processo de eco de fóton. Por fim, a detecção homódina é utilizada para medir as características do eco de fóton recuperado.A principal vantagem desta técnica em relação aos nossos métodos existentes é que ela apresenta a eficiência mais alta já demonstrada. A natureza única para um domínio específico da memória significa que o componente de frequência dos pulsos de luz pode ser armazenado ao longo do comprimento de uma célula de gás. A memória pode então ser usada para manipulação espectral de uma luz armazenada.Prepare-se para o experimento fabricando sob medida dois ressoadores em anel. Selecione um cilindro oco de alumínio maciço como espaçador da cavidade. Esse cilindro tem cerca de 25 centímetros de comprimento.Prepare dois espelhos planos com refletividade idêntica nas tampas terminais. Monte-os em uma extremidade do espaçador da cavidade com usinagem cuidadosa. Os espelhos não precisam ser colados.Em seguida, coloque uma junta de vedação em uma tampa de extremidade para a outra extremidade do espaçador da cavidade. Coloque um espelho curvo de refletividade máxima sobre a junta de vedação. Coloque um atuador piezoelétrico sobre o espelho e monte a tampa de extremidade no espaçador da cavidade, comprimindo os elementos da tampa de extremidade contra o espaçador da cavidade para permitir a atuação rápida do espelho final.Agora, comece o trabalho no aparato de memória. Utilize aqui uma célula longa de 20 centímetros, com janelas revestidas com camada antirreflexo contendo rubídio 87 isotopicamente enriquecido, juntamente com gás criptônio em 0,5 tor como gás tampão; use uma célula envolvida por fio de aquecimento não magnético para os experimentos. A célula de memória representada em verde neste esquema será acomodada em três solenoides concêntricos.Existem dois solenoides internos idênticos com passo variável, projetados para criar um campo magnético variável linearmente. Eles são montados de forma que os gradientes dos respectivos campos se oponham mutuamente. A alternância entre os solenoides inverte os gradientes no conjunto atômico e força a re-fasagem do pulso óptico e a recuperação da luz a partir da memória.O terceiro solenoide externo produzirá um campo magnético contínuo para levantar a degenerescência dos níveis XEOMIN. Para fabricar os solenoides internos, use simulações para determinar a espiral helicoidal variável necessária e imprima seu gráfico. Enrole o gráfico ao redor de um tubo de PVC para servir como guia para enrolar o fio.As bobinas devem ser projetadas para evitar efeitos de borda e para ter principalmente campos longitudinais. Após enrolar e montar os três solenoides, blindá-los magneticamente com duas camadas de metal mu. O experimento utiliza um laser de modo único sintonizado próximo à linha D1 do rubídio em 795 nanômetros.Monitore a frequência utilizando um divisor de feixe e projetando um feixe através de uma célula aquecida contendo uma proporção isotópica natural de rubídio. Observe o espalhamento próximo à ressonância usando uma câmera, ajustando a frequência em cerca de 1,5 gigahertz acima da transição de F igual a dois para F linha igual a dois, para obter a frequência aproximada do feixe de controle. Em seguida, ao longo do caminho óptico, utilize um divisor de feixe para formar um feixe de controle e um feixe sonda.O feixe sonda continua através de um modulador eletro-óptico acoplado por fibra e uma das cavidades em anel. Utilize o modulador eletro-óptico acoplado por fibra, acionado por uma fonte de micro-ondas de 6,8 gigahertz, para desafinar o feixe sonda em relação ao controle. Elimine as bandas laterais travando a cavidade em anel na ressonância com a banda lateral positiva de 6,8 gigahertz.O próximo divisor de feixe direciona o feixe de prova a um modulador óptico acusto-óptico para permitir um controle fino de sua frequência e intensidade. O modulador é acionado com um sinal gaussiano modulado para produzir um pulso bem definido de luz para armazenamento na célula. Direcione o feixe de prova para que ele atravesse uma segunda cavidade em anel.Trave a cavidade à frequência do feixe de sonda usando um feixe de travamento auxiliar injetado no modo reverso da cavidade. Recombine o feixe de sonda e o feixe de controle no espelho de saída da cavidade, onde o feixe de controle é refletido. Antes de entrarem na célula de memória, ajuste os feixes de sonda e de controle recombinados para terem polarização circular aproximadamente idêntica usando uma placa de quarto de onda. Após a célula de memória, remova o feixe de controle da luz em propagação com uma célula filtro preenchida com uma mistura natural de rubídio a 140 graus Celsius.Em seguida, use uma segunda placa de quarto de onda para converter os pulsos pro em polarização quase linear. Prepare a montagem de detecção ho moddy para o feixe de sonda. Após a célula de memória, direcione um feixe a um terceiro modulador óptico Oko para desviar sua frequência e fornecer um oscilador local para o detector.Use um osciloscópio rápido acionado pelo programa de controle para capturar e armazenar o sinal de um experimento. Certifique-se de que a célula de memória esteja a 80 graus Celsius e ajuste a potência do feixe sonda. Inicie o script controlado por computador para o experimento.Um ciclo de trabalho típico é de cerca de 120 microssegundos para disparar o osciloscópio no início do ciclo. Inicialmente, uma das bobinas internas ao redor da célula de memória está ligada e a outra está desligada, gerando um gradiente magnético em uma direção. Após um pulso do feixe sonda ser armazenado, inverta o gradiente para recuperar a luz da memória.Desligue o aquecedor da célula de gás durante o tempo de armazenamento da memória para evitar interferência com a operação da memória. Desligue o feixe de controle enquanto a luz estiver armazenada na memória, se possível. Esta figura mostra uma linha de Raman alargada por heterodinagem típica quando uma das bobinas magnéticas de gradiente é ligada.A linha sólida fina mostra dados de medições heteródinas. A oscilação é devida ao batimento entre a luz de sonda e a luz do oscilador local. A curva tracejada mostra o invólucro desses dados, a forma da linha de ramen alargada.Aqui, é mostrado neste gráfico um sinal típico médio de eficiência do eco de gradiente de memória para tempo curto de armazenamento. A curva vermelha mostra o perfil de intensidade do pulso de entrada e a curva azul mostra a saída da memória. As bobinas de gradiente magnético foram comutadas em 10 microssegundos.O eco recuperado aparece à direita da linha tracejada. A intensidade não nula da saída antes da comutação é evidência de vazamento de luz. Essa memória de eco com gradiente de alta eficiência pode ser utilizada em diversos experimentos, como moldagem de pulsos no domínio do tempo, no espaço de frequência e, potencialmente, na construção de um repetidor quântico.Não se esqueça de que trabalhar com lasers de alta potência pode ser extremamente perigoso. Sempre use óculos de proteção para laser ao realizar este procedimento.

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Engenharia

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