Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

التدرج صدى الذاكرة الكم في الحارة بخار الذرية

Published: November 11, 2013 doi: 10.3791/50552
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1
1ARC Centre for Quantum Computation and Communication Technology, Department of Quantum Science, The Australian National University

Summary

التدرج الذاكرة الصدى هو بروتوكول لتخزين الكم الدول البصرية الضوء في الفرق ذرية. الذاكرة الكم هو عنصر أساسي من مكرر الكم، والتي يمكن توسيع نطاق التوزيع الرئيسية الكم. ونحن الخطوط العريضة تشغيل نظام عند تطبيق في الفرقة ذرية على مستوى 3.

Abstract

التدرج الذاكرة صدى (GEM) هو بروتوكول لتخزين الكم الدول البصرية الضوء في الفرق ذرية. أن الدافع الرئيسي لمثل هذه التكنولوجيا هي أن توزيع الكم الرئيسية (QKD)، والذي يستخدم الارتياب لهايزنبرج لضمان أمن مفاتيح التشفير، محدودة في مسافة الإرسال. وضع مكرر الكم هو الطريق الممكن توسيع نطاق QKD، ولكن مكرر في حاجة الى ذاكرة الكم. في تجاربنا نحن نستخدم الغاز من الروبيديوم 87 بخار موجود في زنزانة الغاز الحار. هذا يجعل خطة بسيطة للغاية. وإنما هو أيضا نظام تنوعا للغاية التي تمكن صقل في الذاكرة الدولة تخزينها، مثل تحويل التردد والتلاعب عرض النطاق الترددي. أساس بروتوكول GEM هو امتصاص الضوء إلى مجموعة متكاملة من الذرات التي تم إعدادها في إطار التدرج المجال المغناطيسي. عكس هذا الانحدار يؤدي إلى إعادة جدولة من الاستقطاب الذرية، وبالتالي استدعاء للدولة البصرية المخزنة. Wه سيحدد كيف نستعد الذرات وهذا الانحدار وأيضا وصف بعض المزالق التي ينبغي تجنبها، وعلى وجه الخصوص أربعة موجة خلط، والتي يمكن أن تؤدي إلى تحقيق مكاسب البصرية.

Introduction

واحدة من التحديات العالقة التي تواجه تكنولوجيا المعلومات الكم هو القدرة على بناء ذاكرة للدول الكم. لالضوئية الكم الحوسبة 1 أو مكرر الكم المستخدمة في نظام التوزيع الرئيسية الكم 2، وهذا يعني بناء الذاكرة التي يمكن تخزين الدول الكم من الضوء 3. واحدة من النهج المتبعة لتحقيق هذا الهدف هو استخدام مجموعات من الذرات التي يمكن السيطرة عليها في مثل هذه الطريقة لتخزين ومن ثم إطلاق سراح controllably الضوء في وقت لاحق. وقد تم تطوير تقنيات عديدة بما في ذلك الشفافية (EIT) التي يسببها الكهرمغنطيسية 4، ومشط التردد الذري (AFC) 5، 6، 7، أربعة موجة خلط (FWM) 8، 9 رامان امتصاص والتفاعل فاراداي 10 و الفوتون تقنيات الصدى 11، 12 ، 13، 14، 13، 15، 16، 17، 18، 19.

محور هذه الورقة هو Λ - الذاكرة التدرج الصدى (GEM-Λ)، والذي يعمل باستخدام ثلاثةوسائل الإعلام الذرية منظم على مستوى "Λ". تم تنفيذ ذلك في البداية في زنزانة بخار الروبيديوم دافئة في عام 2008 20. وقد استخدم هذا النظام باعتباره ذاكرة الوصول العشوائي لنبضات الضوء (21 عاما) لديه أثبتت كفاءة عالية مثل 87٪ 22، ويوفر تخزين صامتة من الدول الكم 23 ويظهر بعض الوعد كمنصة للعمليات البصرية غير الخطية 24. ونحن أيضا نشرت مؤخرا ورقة أن يذهب إلى بعض التفاصيل حول التفاعل بين هذه الذاكرة مع بخار الذرية الحارة 25.

جوهر الأسلوب هو أن نعد مجموعة متكاملة من الذرات التي يتم توسيع inhomogeneously بحيث سوف تمتص الذرات نبضة الضوء. في تجربتنا نحن نستخدم امتصاص رامان، كما هو مبين في الشكل 1A. ضوء التحقيق الذي هو ليتم تخزينها، وسوف يتم تعيينها على التماسك بين دولتين الأرض من ذرات. يتم توفير وتوسيع طريق تطبيق gradien المجال المغناطيسير على طول اتجاه الانتشار البصرية، الأمر الذي أدى إلى التدرج المكاني في امتصاص ترددات رامان، كما هو مبين في الشكل 1B. وبالتالي تعيين مكونات تردد مختلفة من النبض المخزنة في مواقع مكانية مختلفة خطيا على طول الفرقة ذرية. وبعبارة أخرى، والوضع المكاني للموجة تدور الذرية التي يتم إنشاؤها بواسطة امتصاص نبض المدخلات يتناسب مع تحويل فورييه للوضع الزمنية للنبض الإدخال. ونحن سوف تحدد في وقت لاحق، وهذا هو التدرج التردد التي تمكن أيضا بعض من قدرات معالجة الطيفية للاهتمام من هذه الذاكرة. عن طريق عكس التدرج المجال، تطور تماسك الفرقة الذرية يمكن أن تكون عكس الوقت. وهذا يسمح لاسترجاع نبض الضوء.

Protocol

1. بعض عناصر مخصص المدمج

  1. مرنانات خاتم

    في هذه التجربة، ويلزم اثنين مرنانات الخاتم الذي تقسيم والجمع بين الحزم من ترددات مختلفة. يظهر تصميم تجويف في الشكل. 2.
    1. بناء مرنانات حول اسطوانة مجوفة من الألومنيوم بكميات كبيرة. على نهاية واحدة، جبل اثنين من المرايا المسطحة مع انعكاسية متطابقة. على الطرف المقابل جبل كحد أقصى انعكاسية مرآة منحنية. لا تحتاج إلى أن المرايا لصقها على فاصل تجويف. مع بالقطع دقيق للمباعدة، ونهاية قبعات تكفي لعقد لهم في المكان.
    2. الجمع بين المرآة المنحني مع O-حلقة وكهرضغطية المحرك للسماح السيطرة على تردد صدى تجويف. وضع يا الدائري بين المرآة وتجويف الفاصل، مع بيزو راء المرآة. ضغط هذه العناصر على تجويف الفاصل مع نهاية الحد الأقصى للسماح يشتغل سريع للمرآة النهاية. مزيج من الضغط يا الدائريوعالية السرعة بيزو تسمح عادة للتحكم في عرض الموجات يزيد عن 10 كيلو هرتز.
      ملاحظة: للحصول على هذا المثال، والفواصل هي حوالي 25 سنتيمترا. هذا الطول هو إجراء تعسفي، على الرغم من أنه ينبغي اختيار بحيث الرقابة والتحقيق الضوء ليست coresonant، وهو ما يعني أن تقسيم فائق الدقة يجب ألا تكون متعددة من الأطياف المدى مجانا. بسبب هندسة الحلبة، سوف يكون تجويف سائط الاستقطاب nondegenerate من الجودة المختلفة. يتم تحديد المرايا المغلفة مخصصة لتوفير تجويف براعة حوالي 1،000 للق الاستقطاب ضوء، الأمر الذي يؤدي إلى براعة من حوالي 100 لف الاستقطاب الخفيفة. بينما عادة ما تجرى هذه التجارب في وضع منخفض الجودة، يمكن بسهولة تشغيل الإعداد لوضع عالية الجودة، وينبغي أن يطلب تصفية أقوى من الحزم.
  2. تصميم خلية الذاكرة والإسكان
    1. لبناء جهاز الذاكرة، استخدام خلية طويلة تحتوي على تعزيز isotopically 87 الروبيديوم آلأونج مع 0.5 عربة من الخمير الحمر الغاز العازلة. في الإعداد، وطول 20 سم. نوافذ الخلية هي المضادة للانعكاس المغلفة. يجب أن يكون ساخنا هذه الخلية إلى حوالي 80 درجة مئوية باستخدام سلك التدفئة غير مغنطيسية.
    2. يغلف الخلية في ثلاثة ملفات لولبية متحدة المركز. لولبية الداخلية اثنين من إنشاء تدرجات المجال المغناطيسي. الرياح هذه لولبية، إجراء المحاكاة باستخدام المعادلة بيو-Savart. محاكاة اللولبي متغير الملعب من شأنها أن توفر المجال المغناطيسي خطيا متفاوتة.
    3. باستخدام برنامج الرسوم البيانية، وطباعة مؤامرة من هذه الدوامة على قطعة من الورق. التفاف ورقة حول الأنابيب البلاستيكية لتوفير خط لمتابعة والرياح السلك على الأنابيب.

      ملاحظة: في هذا الإعداد لفائف هي 50 سنتيمترا، وأكثر من ضعف طول الخلية الغاز، لتجنب آثار الحافة. أقطار هي 6 و 10 سم، وهو ضعف قطر للخلية، لضمان المجالات المغناطيسية هي في معظمها طولية. لولبية التدرج تعارض بعضها البعض بحيث ثاسوف ر التبديل بينهما تبديل علامة على الانحدار (انظر الشكل 3). في تجربة نموذجية، يتم تشغيل 2-3 ألف من الحالي من خلال هذه الملفات ويتم تبديل الملفات في 3-4 μsec.

    4. لتحسين وقت التبديل، ووقف استخدام التذبذبات 200 Ω المقاومات التخميد في سلسلة مع لفائف. وضع هذه ولبية اثنين داخل الثالث لفائف الجرح عادة يستخدم لتوفير مجال مغناطيسي العاصمة لرفع مستويات الانحطاط زيمان. الروبيديوم لديه من التحول نحو 1.4 ميغاهيرتز / G المجال المغناطيسي 26. حقل العاصمة النموذجي هو 6 G، في حين أن التدرجات سيكون 2 G / م.
    5. وضع طبقتين من معدن التدريع μ حول لفائف مغناطيسية ثلاثة للحد من تأثير المجال المغناطيسي للأرض على التجربة.

2. التخطيط للمسار الشعاع الضوئي

  1. استخدام وضع ليزر واحد ضبطها بالقرب من خط الروبيديوم D 1 في 795 نانومتر. رصد الترددليزر باستخدام قياس امتصاص المشبعة، كما هو موضح في الشكل 3. Detune تردد بنحو 1.5 غيغاهرتز فوق F = 2 إلى F '= 2 تمر بمرحلة انتقالية. وسوف يكون هذا التردد التقريبي للشعاع السيطرة.
  2. في BS2 beamsplitter، والاستفادة من بعض الضوء الليزر الرئيسي لتشكيل شعاع السيطرة. تحول ترددها باستخدام صوتية البصرية المغير AOM1. هذا AOM كما يسمح التعديل للقوة التحكم شعاع. لدفع AOM، وتمرير الناتج من مصدر إشارة من خلال تبديل الترددات اللاسلكية التي يتم التحكم بواسطة إشارة TTL، ومن ثم تضخيم إشارة قبل إرساله إلى AOM. غرامة توليف تردد السيطرة، لتحسين امتصاص رامان على سبيل المثال، عن طريق تغيير التردد محرك من هذا AOM. تردد محرك RF من AOMs في الإعداد هو 80 ميغاهرتز، ولكن هذا هو إجراء تعسفي.
  3. Detune شعاع التحقيق، والتي سيتم تخزينها في الذاكرة الكم، بنسبة 6.8 غيغاهرتز من شعاع السيطرة، وهذا التردد يجري تقسيم ارض الدولة من فائق الدقة87 الروبيديوم. لإعداد هذا التردد، وتمرير الليزر من خلال الكهربائية الضوئية المغير إلى جانب الألياف التي يقودها مصدر الميكروويف 6.8 غيغاهرتز. هذا يولد مجموعة من sidebands في التوافقيات 6.8 غيغاهرتز، فوق وتحت تردد الناقل.
  4. للحصول على شعاع التحقيق مع تردد محض، فصل +6. 8 ضوء غيغاهرتز من سائر sidebands التشكيل غير المرغوب فيها. للقيام بذلك، استخدم إحدى تجاويف الحلبة. قفل تجويف 1 على الرنين مع +6. 8 غيغاهرتز الجانبي. وبعد ذلك ينتقل هذا التردد من خلال مرنان، في حين تنعكس جميع الترددات الأخرى، وبالتالي إعداد تردد النقية التي ستتناول ارض الدولة F = 1 من ذرات الروبيديوم. قد يكون مؤمنا تجويف باستخدام تقنية الجنيه-Drever هول 27]، وذلك باستخدام الضوء المنعكس من المرآة الإدخال.
  5. الاستفادة من جزء من شعاع الليزر على BS3 وإرسالها من خلال AOM2 للسماح للسيطرة غرامة من وتيرة وشدة شعاع التحقيق. هناكزوجين من الطرق المتاحة لدفع AOM. على سبيل المثال، استخدام مولد إشارة للبرمجة تعيين لتوليد نبضات جاوس التضمين في 80 ميغاهيرتز. بدلا من ذلك، والجمع مستمر 80 ميغاهرتز إشارة مع نبض في خلاط RF لإعطاء نبض التضمين في 80 ميغاهيرتز. في كلتا الحالتين، ثم يتم تضخيم هذا التمويه التضمين وأرسله إلى AOM لإعطاء نبض الضوء في ترتيب diffracted من AOM.
    ملاحظة: وهذا أمر diffracted توفير نبضات التحكم بدقة الضوء التي يمكن تخزينها في الذاكرة. السعة من البقول يمكن ضبطها باستخدام مزيج من قوة محرك AOM ومتفاوتة نسبة تقسيم BS1. وهذا يسمح إنتاج موثوق بها من مجموعة واسعة من سعة النبض، وعلى وجه الخصوص، يسمح للإنتاج البقول ضعيفة جدا مع أرقام الفوتون يعني أقل من 1 23.
  6. المرحلة التالية هي إعادة تجميع التحقيق والرقابة والحزم. ويمكن أن يتم هذا مع beamsplitter بسيطة، ولكن ذلك يعني فقدان بعض جزء من الضوء.إذا كان الاستقطاب لجنة التحقيق ومراقبة متعامد ثم يمكن تحقيق إعادة التركيب ضياع باستخدام شعاع الخائن الاستقطاب، ولكن يمكن فقط حقا أن يكون الأمثل للتخزين عن طريق مراقبة مستقلة للتحقيق والرقابة الاستقطابات.
    1. لتحقيق ذلك، استخدام الثانية، والكفاءة العالية، مطابقة مقاومة، خاتم تجويف. إنشاء تجويف بحيث تبث شعاع التحقيق من خلال، في حين ينعكس مجال التحكم قبالة المرآة الانتاج. نقل التحقيق من خلال هذا مرنان الثاني يوفر أيضا الطبقة الثانية من التصفية تردد، مما يساعد على تجنب المشاكل مع أربعة موجة الاختلاط.
    2. قفل هذا التجويف لتردد شعاع التحقيق باستخدام شعاع تأمين المساعدة (خط متقطع) التي يتم حقنها في وضع عكسي من تجويف. لحن هذا التردد إلى تردد مختلف، والاستقطاب ووضع المكانية من شعاع التحقيق بحيث يمكن الكشف عن ذلك على التفكير دون أن يؤثر ذلك سلبا على شعاع التحقيق. السبب لهذا الجهد هو أنهمن الصعب بوحشية لاستخدام الطاقة المنخفضة، نابض التحقيق شعاع لقفل تجويف. وموازى الحزم الرقابة والتحقيق قبل خلية الذاكرة إلى 7 ملم و 3 ملم الأحجام، على التوالي.
    3. والسيطرة على السلطة الميدان قبل الخلية الذاكرة ~ 270 ميغاواط وتحقيق السلطة قد يتم اختياره من صفر إلى بضعة microwatts واعتمادا على المدى التجربة. باستخدام لوحة الربع الموجة، وضبط استقطاب التحقيق الجمع بين الحزم والسيطرة ليكون (تقريبا) والتعميم من نفس helicity. ضخها في الجهاز الخليوي الغاز الذاكرة.
  7. التحكم في توقيت كل عناصر التجربة باستخدام برنامج ابفيف 28. ومن شأن دورة عمل نموذجية تكون 120 μsec. تبديل سخان قبالة خلال فترة تخزين الذاكرة لتجنب التداخل مع عملية الذاكرة. ويرد تسلسل توقيت نموذجي في الشكل 4. عندما يكون ذلك ممكنا، بدل شعاع من السيطرة في حين يتم تخزين الضوء في الذاكرة. في زنزانة الغاز الحار، على الرغم من الوdetuned ه رامان الانتقال من الحالة المثارة وراء عرض دوبلر، يمكن للمجال التحكم لا يزال مصدرا هاما من فك الترابط في الذاكرة بسبب احتمال غير الصفر من تناثر رامان عفوية. تناثر رامان يتناسب طرديا مع قوة السيطرة الميدانية وعكسيا مع مربع detuning. إذا تم الإبقاء على مجال التحكم في خلال فترة التخزين بأكملها، يمكن أن تتفاعل مع دول أقل اثنين وتدمير التماسك مع معدل الأسي يحددها نثر. ويفسر هذا زيادة في قسم المناقشة.
  8. بعد التخزين والاسترجاع، وتمرير التحقيق من خلال خلية التصفية من أجل تجريد مجال التحكم من شعاع. فمن الممكن استخدام الخلايا الطبيعية مع خليط من الروبيديوم. 85 الروبيديوم يهيمن ويمتص بشدة على التردد السيطرة شعاع، وتوفير 60 ديسيبل من القمع. والموهن شعاع مسبار أقل بكثير، وعادة 1.4 ديسيبل. استخدام خلية 75 مم طويل، تسخينها إلى 140 درجة مئوية.ومن شأن الخلية مع تعزيز isotopically 85 الروبيديوم يؤدي إلى امتصاص أقل التحقيق.
  9. والخطوة الأخيرة هي الكشف عن البقول التحقيق، وذلك باستخدام متجانسة التقارن أو الكشف مغايرة. وميزة هذه الطريقة الكشف هو أنه وضع انتقائية وحتى بعض ضوء سيطرة المتبقية لن يؤثر على القياسات. صدى لديه (قرب) الاستقطاب الدائري الذي يصنع الخطية باستخدام لوحة مزيج half-wave/quarter-wave.
    1. لإنتاج مذبذب المحلية، والاستفادة من جزء من شعاع في BS4 والتحول ترددها باستخدام AOM4. تخزين إشارة من متجانسة التقارن أو مغايرة الإعداد باستخدام الذبذبات السريعة، أدت إلى برنامج مكافحة ابفيف.

Representative Results

1. باستخدام الامتصاص رامان باعتبارها أداة تشخيص

النتيجة الأولى للحصول على امتصاص هو خط رامان للضوء شعاع التحقيق. تعظيم الاستفادة من هذه الميزة امتصاص يقطع شوطا طويلا نحو تحقيق أفضل أداء الذاكرة. مع تحول لفائف مغناطيسية خارج التدرج، وتواتر السيطرة يمكن مسحها في وجود ضعف موجة التحقيق مستمر. امتصاص شعاع التحقيق يرتبط مباشرة إلى الكثافة البصرية للخلية نووية. بناء على ذلك، فإن درجة حرارة الخلية، والطاقة من شعاع السيطرة وdetuning فوتون واحد يمكن أن يكون الأمثل خلال عملية التكرار لإعطاء امتصاص رامان أفضل وجه ممكن. والكثير من السلطة ضبط شعاع زيادة الاستيعاب، ولكن أيضا توسيع نطاق عرض الخط. عندما الأمثل، والعرض هو من أجل من 100 كيلو هرتز في نظامنا.

سوف التبديل على واحدة من لفائف التدرج توسيع خط رامان. عرض امتصاص توسيع ردعالألغام في عرض النطاق الترددي للذاكرة. لديه حلا وسطا بعد ذلك إلى أن يتم بين الكثافة الضوئية، والذي يؤثر على كفاءة الذاكرة، وعرض النطاق الترددي الذاكرة. يظهر نقل التحقيق لدينا واحدة من توسيع خطوط رامان في الشكل 5، حيث يتم تعيين عرض النطاق الترددي الذاكرة إلى حوالي 1 ميغاهيرتز.

تبديل على حد سواء لفائف مغناطيسية التدرج في الوقت نفسه، ينبغي استرداد linewidth امتصاص nonbroadened. فإن أي عدم تطابق في حجم الحالي أو التجانس المكاني للحقول المغناطيسية تعكس مباشرة على توسيع وتشويه امتصاص رامان.

2. نبض التخزين

أبسط التكوين لذاكرة التخزين هو نبض واحد واسترجاعها. من شأنها أن تكون، على سبيل المثال، تخزين البقول لمدة 2 μsec والتحول لفائف مغناطيسية التدرج 3 μsec بعد ذروة النبض، كما هو مبين في الشكل (6). إذا كانت الكثافة البصرية منخفضة، بعض الضوء leakaوسيراعى في جنرال الكتريك اعتمادا على الكثافة الضوئية (OD) من المتوسط. ضبط بعناية المعلمات الذاكرة أمر ضروري لحصول على تخزين عالية الكفاءة. ويشمل هذا التحسين من درجة الحرارة خلية ذاكرة، والمحاذاة حذرا بين التحقيق ومجال التحكم وضبط شدة شعاع السيطرة على العثور على أفضل حل وسط بين الاستيعاب ونثر، وضمان الاستقطاب الصحيح من الحزم وضبط ترددات التحقيق والرقابة والحزم. وأوضح مزيد من هذه الطريقة الأمثل في قسم المناقشة. يمكن أن يتوقع عندما يتم ضبطها كل هذه المعايير بشكل جيد الكفاءة تتجاوز 80٪ لفترة تخزين 4 μsec 22. ويعرف كفاءة التخزين والنسبة بين الطاقة من صدى وذكر والطاقة من نبض متطابقة أنه لم يتم تخزينها في الذاكرة. هذه العوامل بشكل فعال من تأثير الخسائر الخطية، على سبيل المثال بسبب انعكاسات فرينل على السطوح أو absorptايون في الخلية التصفية. عند استخدام الكشف مغايرة، يتم قياس الطاقة من البقول بنسبة تربيع إشارة مغايرة وقياس مجالات المغلفات نبض لل.

التردد وعرض النطاق الترددي للنبض استرجاع يعتمد على التيار حقنها في لفائف التدرج. التلاعب بسيطة من هذه التيارات يسمح لضبط نبض استردادها. التلاعب الطيفية أكثر تعقيدا (مثل تلك التي وردت في 29) ويمكن أن يتم باستخدام الإعداد لفائف أكثر تقدما حيث التدرج على طول الذاكرة يمكن ضبطها بوصفها وظيفة للموقف والوقت بشكل مستقل.

الشكل 1
الشكل 1. أ) مخطط المستوى ضمن 87 الروبيديوم D 1 خط المستخدمة في الذاكرة. ضوء التحقيق يمتص رامان لخلق التماسك الرهان وين في F = F = 1 و 2 دول الأرض. ب) يعطي الانحدار المجال المغناطيسي detuning تعتمد مكانيا للدول الأرض على طول الخلية. عكس التدرج وتحول شعاع السيطرة على استدعاء يعطي ضوء التحقيق المخزنة. (مقتبس من [34]). اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 2
الشكل 2. تخطيطي لوضع أنظف البصرية. ارجع إلى طرق الباب للحصول على وصف. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

ig3.jpg "العرض =" 500px "/>
الرقم 3. التخطيطي من الإعداد التجريبية AOM = صوتية البصرية المغير؛ بعثة مراقبة الانتخابات = الكهربائية والبصرية المغير؛ BS = Beamsplitter؛ λ / 4 = لوحة ربع الموجة. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 4
الشكل 4. تسلسل توقيت نموذجي للذاكرة. (مأخوذة من 35). اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 5
الرقم 5. heterodyned نموذجية توسيع خط رامان عند واحد من اله يتم تبديل لفائف المغناطيسي على التدرج. البيانات (خط الصلبة رقيقة) والتي يتم التقاطها باستخدام قياس مغايرة. ويرجع ذلك إلى إيقاع بين النور والضوء التحقيق مذبذب المحلية التذبذب. يظهر منحنى متقطع المغلف من هذه البيانات والتي هي على شكل خط رامان توسيع نطاقه. (معدلة من 25). اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 6
الرقم 6. نموذجي متوسط ​​الكفاءة GEM صدى لوقت التخزين قصيرة. يتم تبديل لفائف مغناطيسية التدرج في ر = 10 μsec (خط متقطع). الحمراء: مدخلات ملف كثافة النبض. الأزرق: خرج كثافة الذاكرة، مما يدل على ضوء تسربت (والذي هو واضح تحت الحمراء نبض المدخلات)، وأشار إلى صدى، والذي يظهر على يمين رانه خط متقطع. اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

الرقم 7
الرقم 7. أربعة موجة خلط الواقع، عند مسح خط رامان، لمختلف القوى مجال التحكم ودرجات الحرارة الخلية. لهذا الرقم فقط، تم اختيار الاستقطابات من مجال التحكم والكمرات التحقيق بحيث تعظيم التأثير. الكمبيوتر هي قوة السيطرة شعاع. (معدلة من 25). اضغط هنا لمشاهدة صورة بشكل اكبر .

Discussion

وهناك شرط ضروري لكفاءة الذاكرة عالية هو OD عالية [30]. وOD من Λ-GEM يتناسب مع عامل رامان Ω_c 2 / Δ 2، حيث Ω_c هو التردد ربيع مجال اقتران وΔ هو detuning رامان من متحمس للدولة. عفوية معدل تناثر رامان هو أيضا متناسبة مع عامل رامان وهناك بالتالي المفاضلة بين تحقيق امتصاص عالية وخسائر انخفاض نثر. للعثور على الإعدادات المثلى للقوة، detuning والغاز مجال التحكم في درجة الحرارة نستخدم عملية تكرارية. ويمكن التخفيف من الخسائر نثر إلى حد ما عن طريق التحول قبالة شعاع السيطرة أثناء التخزين، بعد يمتص نبض بالكامل. يتأثر العمق البصري أيضا من قبل الدولة الداخلي للذرات. من الناحية المثالية نود أن يكون أكبر عدد من ذرات ممكن في مستوى فائق الدقة F = 1 لزيادة امتصاص التحقيق. شعاع السيطرة أيضا يلعب دورا هنا كما يعمل على ضخ ذرات من 2 إلى F =F = مستويات 1. هذه ليست فعالة جدا، وذلك بسبب detuning، ولكن شعاع السيطرة هي قوية ويمكن أن تترك لفترات طويلة من الزمن بين التخزين التجارب النبض. عرض خط رامان في تجربتنا حوالي 100 كيلو هرتز، والتي هي في معظمها نتيجة لتوسيع الطاقة الناجمة عن مجال السيطرة. وهذا يتوافق تقريبا إلى المعدل الذي يتم ضخه من ذرات F = 2 للدولة فائق الدقة F = 1. ولكن سيكون هناك ترك بعض السكان على MF = 2 (أو -2 اعتمادا على علامة الاستقطاب الدائري) من مستوى فائق الدقة F = 2 نظرا لعدم وجود التحولات البصرية المسموح بها.

فإن OD تعتمد أيضا بشدة على درجة حرارة الخلية، والذي يحدد عدد الذرات في الطور الغازي. ونحن نستخدم درجة حرارة حوالي 78 درجة مئوية، وتقاس في مركز الخلية. لاحظنا أن لدينا في الخلية، مما يزيد من درجة حرارة تتجاوز 85 درجة مئوية يمكن أن يؤدي في بعض امتصاص مجال التحكم وكذلك بعض امتصاص غير متماسكة من الإشارة البريد التحقيق. يتم تشغيل سخان من خلال تشغيل تجريبي لتجنب التشويش على المجال المغناطيسي داخل الخلية.

الاستقطابات كل من التحقيق ومراقبة الحقول أيضا أن تلعب دورا حاسما في كفاءة امتصاص الذاكرة. خط الانتقال من D1 87Rb اثنين فائق الدقة دول متحمس مع ما مجموعه 8 مستويات ثانوية زيمان. من حيث المبدأ، واختيار الاستقطابات دائرية متطابقة لكل من التحقيق وحقول التحكم يضمن أن تتفاعل فقط مع القوة المتعددة الجنسيات على مستوى الدولة متحمس = 2 (أو -2)، F '= 2. والاستقطابات الخطية أو بيضاوي الشكل من مجالات الليزر تؤدي إلى اقتران رامان عبر مستويات ثانوية أخرى زيمان من F '= 1، 2. وهذا يؤدي إلى توسيع وعدم التماثل في شكل خط رامان، ويرجع ذلك إلى الثوابت اقتران مختلفة والتحولات ميلان ستارك لمختلف التحولات. للأسف، التحقيق الاستقطاب والسيطرة الحقول التعميم مماثل أعدت قبل الذاكرة يمكن تجربة مختلفة الاستقطاب ص الذاتيotations كما نشر من خلال الذاكرة. هو أكثر وضوحا هذا التأثير في وسائل الإعلام OD العالية، والتي لدينا في تجربتنا. وهذا يعني أن هناك حاجة إلى صقل التحقيق والرقابة شعاع الاستقطاب لمواجهة تأثير دوران الذاتي.

لمزيد من تعقيد الأمور، ويمكن في بعض الأحيان أن ينظر إلى عملية المنحطة أربعة موجة خلط (FWM) عند العمل مع OD كبيرة 25. يمكن أن يسبب هذا التضخيم وبالتالي إدخال الضوضاء للدولة الناتج من الذاكرة. على وجه الخصوص، عندما يستخدم الاستقطاب الخطي لكل من السيطرة والحزم التحقيق، وتأثير FWM يمكن تتعزز بشكل كبير بسبب الإثارة رامان من خلال الدول متحمس متعددة. وتتلخص الشروط التي بموجبها عملية FWM إما تعزيز أو قمعت في نظامنا في الرقم 25. ويمكن التخفيف من أثر FWM من قبل، مرة أخرى، صقل الاستقطاب لجنة التحقيق ومراقبة الحزم. بهذه الطريقة، والعمليات FWM يمكن خفضها الى النقطة التي يقومون بهالا تضيف إلى الضوضاء وأشار ضوء 23. فيما يتعلق FWM، فمن الجدير بالذكر أن كلا من تجاويف تلعب دورا هاما في قمع غيغاهرتز الجانبي -6.8 التي تم إنشاؤها بواسطة الألياف بعثة مراقبة الانتخابات التي من شأنها أن البذور وإلا فإن عملية FWM.

كلا التناوب الذاتي وFWM تؤثر على شكل خط رامان توسيع نطاقه. بعد صقل، ويمكن للمرء أن تحقيق متماثل تماما، مستطيلة الشكل تقريبا ميزة امتصاص كما هو مبين في الشكل 5. هذا يتناقض مع الحالة هو مبين في الشكل 7 حيث تم اختيار الاستقطابات للتدليل على أثر FWM. هنا ميزة رامان هو غير المتماثلة للغاية.

كما ذكرنا سابقا، تم استخدام خلية الروبيديوم وفرة الطبيعية لتحديد شعاع السيطرة وتمرير شعاع التحقيق إلى قسم الكشف. ويرجع ذلك إلى ارتفاع درجة حرارة هذه الخلية، لاحظنا أن تيارات الهواء حول النوافذ الخلية يسبب الاختلاف في الرؤية هامش الكشف مغايرة، وإعادةsulting في تقلبات للإشارة. تم التقليل من هذا التأثير من خلال تنفيذ الكشف مغايرة مباشرة بعد تصفية الخلية والحد من تيارات الهواء حول النوافذ الخلية باستخدام تصميم الفرن المناسبة. لاحظنا خسارة التحقيق في حوالي 30٪ من خلال تصفية الخلية، وذلك بسبب انعكاسات فريسنل من النوافذ وامتصاص ذرات الروبيديوم بنسبة 87 في الخلية التصفية. يحتمل أن يتم تخفيض هذه الخسارة عن طريق استخدام الطلاء المضادة للانعكاس على النوافذ خلية وباستخدام 85 الروبيديوم النقي بدلا من خليط الطبيعية من الروبيديوم.

في زنزانة بخار الحار ونشرها هي واحدة من القيود الرئيسية على فترة التخزين. بعد امتصاص الضوء، يمكن أن تنتشر ذرات من المنطقة متماسكة، وبالتالي محو المعلومات المخزنة جزئيا. إضافة الغاز العازلة (0.5 عربة الخمير الحمر، في تجربتنا) يقلل من تأثير الانتشار إلى حد ما. الكثير من الغاز العازلة، ومع ذلك، فإن زيادة توسيع الاصطدامية 31. هذا يزيد ديسمبرoherence والسيطرة امتصاص الميدان، مما يقلل من كفاءة ضخ المذكورة أعلاه. طريقة أخرى للحد من تأثير الانتشار العرضي هو لزيادة حجم التفاعل من خلال توسيع محات عرضية من مجالات التحقيق والرقابة. في نهاية المطاف سوف تكون محدودة هذا النهج اصطدام غير مرن مع جدران الخلايا. في هذه الحالة، قد تكون مغلفة جدران الخلايا مع المواد antirelaxation 32، 33، لتوفير التصادمات المرنة على الجدران وبالتالي تعزيز التماسك الساعة الذرية. عن طريق التقليل من جدار الاصطدام غير مرن باستخدام الطلاء الجدار السليم وزيادة حجم شعاع الليزر لتغطية ما يقرب من المقطع العرضي الخلية، يتوقع المرء أن آثار الحد الأدنى من نشر عرضية على فترة التخزين. قد تصبح بعد ذلك نشر طولية تأثير فك الترابط المهيمن في أوقات التخزين الطويل. نشر طولية يسبب ذرات لتجربة مختلفة شدة المجال المغناطيسي خلال فترة التخزين التي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض rephasing الكفاءة. أن طريقة واحدة للسيطرة على الانتشار الطولي يكون لاستخدام الفرقة ذرية باردة، مثل الذرات التي تم تبريدها في فخ مغناطيسي البصرية (MOT). ذلك، ومع ذلك، يتطلب طبقة جديدة كاملة من التعقيد التجريبية تشارك في السيطرة على سحابة ذرية الباردة. هذا هو نظام فإننا ندرس حاليا في مختبرنا 36.

Disclosures

يعلن الكتاب أنه ليس لديهم مصالح مالية المتنافسة.

Acknowledgments

ويدعم هذا البحث من قبل مركز مجلس الأبحاث الأسترالي التميز لالكم الحاسوب وتكنولوجيا الاتصالات، رقم المشروع CE110001027.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Titanium-sapphire laser M Squared Lasers SolsTiS
Digital oscilloscope Lecroy WaveRunner 44Xi-A
Memory cell Triad Technology 20 cm long, 87Rb enhanced, 0.5 Torr Kr buffer gas, AR-coated
Filter cell Triad Technology 7.5 cm long, natural mixture Rb, no buffer gas
Fiber EOM EOSPACE PM-0K5-10-PFA-UL
AOM AA Opto-Electronic MT80-A1-IR
AOM drive components Minicircuits Amplifier ZHL-1-2W
Minicircuits Mixer ZAD-6
Agilent 80 MHz signal source 33250A
Cavities Custom made triangular ring cavity. FSR = 600 MHz, Finesse = 100.
Flat mirrors (for input and output) IBS coating by Advanced Thin Films. Back mirror is 1 m ROC
Newport Supermirror (R>99.97%)
Photodiodes Hamamatsu S3883
Current Switches Electronic Design and Research EDR83915/2 and EDR8276612

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
  2. Sangouard, N., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Quantum repeaters based on atomic ensembles and linear optics. Rev. of Mod. Phys. 83, 33-80 (2011).
  3. Lvovsky, A. I., Sanders, B. C., Tittel, W. Optical quantum memory. Nat. Pho. 3, 76 (2009).
  4. Fleischhauer, M., Lukin, M. D. Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency. Phys. Rev. Let. 84, 5094 (2000).
  5. Afzelius, M., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Multi-Mode Quantum Memory based on Atomic Frequency Combs. Phys. Rev. A. 79, 052329 (2009).
  6. Clausen, C., et al. Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature. 469, 508 (2011).
  7. Saglamyurek, E., et al. Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature. 469, 512 (2011).
  8. Boyer, V., McCormick, C. F., Arimondo, E., Lett, P. D. Ultraslow Propagation of Matched Pulses by Four-Wave Mixing in an Atomic Vapor. Phys. Rev. Let. 99, 143601 (2007).
  9. Reim, K. F., Michelberger, P., Lee, K. C., Nunn, J., Langford, N. K., Walmsley, I. A. Single-Photon- Level Quantum Memory at Room Temperature. Phys. Rev. Let. 107, 053603-053604 (2011).
  10. Jensen, K., et al. Quantum memory for entangled continuous-variable states. Nature Physics. 7, 13 (2010).
  11. Moiseev, S., Kröll, S. Complete reconstruction of the quantum state of a single-photon wave packet absorbed by a Doppler-broadened transition. Phys. Rev. Let. 87, 173601 (2001).
  12. Moiseev, S. A., Tarasov, V. F., Ham, B. S. Quantum memory photon echo-like techniques in solids. Jour. Opt. B-Quan. Semiclass. Opt. 5, S497 (2003).
  13. Nilsson, M., Kröll, S. Solid state quantum memory using complete absorption and re-emission of photons by tailored and externally controlled inhomogeneous absorption profiles. Opt. Comm. 247, 393-403 (2005).
  14. Kraus, B., Tittel, W., Gisin, N., Nilsson, M., Kröll, S., Cirac, J. I. Quantum memory for nonstationary light fields based on controlled reversible inhomogeneous broadening. Phys. Rev. A. 73, 020302(R) (2006).
  15. Alexander, A., Longdell, J. J., Sellars, M., Manson, N. Photon echoes produced by switching electric fields. Phys. Rev. Let. 96, 043602 (2006).
  16. Sangouard, N., Simon, C., Afzelius, M., Gisin, N. Analysis of a quantum memory for photons based on controlled reversible inhomogeneous broadening. Phys. Rev. A. 75, 032327 (2007).
  17. Damon, V., Bonarota, M., Louchet-Chauvet, A., Chaneliere, T., Le Gouët, J. -L. Revival of silenced echo and quantum memory for light. New Jour. of Phys. 13, 093031 (2011).
  18. Hétet, G., Longdell, J. J., Alexander, A. L., Lam, P. K., Sellars, M. J. Electro-Optic Quantum Memory for Light Using Two-Level Atoms. Phys. Rev. Let. 100, 023601 (2008).
  19. Hedges, M. P., Longdell, J. J., Li, Y., Sellars, M. J. Efficient quantum memory for light. Nature. 465, 1052-1056 (2010).
  20. Hétet, G., Hosseini, M., Sparkes, B. M., Oblak, D., Lam, P. K., Buchler, B. C. Photon echoes generated by reversing magnetic field gradients in a rubidium vapor. Opt. Let. 33, 2323 (2008).
  21. Hosseini, M., Sparkes, B. M., Hétet, G., Longdell, J. J., Lam, P. K., Buchler, B. C. Coherent optical pulse sequencer for quantum applications. Nature. 461, 241-245 (2009).
  22. Hosseini, M., Sparkes, B. M., Campbell, G., Lam, P. K., Buchler, B. C. High efficiency coherent optical memory with warm rubidium vapour. Nat. Comm. 2, 174 (2011).
  23. Hosseini, M., Campbell, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K., Buchler, B. C. Unconditional room-temperature quantum memory. Nat. Phys. 7, 794-798 (2011).
  24. Hosseini, M., Rebic, S., Sparkes, B. M., Twamley, J., Buchler, B. C., Lam, P. K. Memory-enhanced noiseless cross-phase modulation. Light: Sci. Apps. 1, e40 (2012).
  25. Hosseini, M., Sparkes, B. M., Campbell, G., Lam, P. K., Buchler, B. C. Storage and manipulation of light using a Raman gradient-echo process. Jour. of Phys. B-Atomic. 45, 124004 (2012).
  26. Barwood, G. P., Gill, P., Rowley, W. R. C. Frequency measurements on optically narrowed Rb-stabilised laser diodes at 780 nm and 795 nm. Appl. Phys. B. 53, 142-147 (1991).
  27. Drever, R. W. P., et al. Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator. Appl. Phys. B-Photophys. and Laser Chem. 31, 97-105 (1983).
  28. Sparkes, B. M., Chrzanowski, H. M., Parrain, D. P., Buchler, B. C., Lam, P. K., Symul, T. A scalable, self-analyzing digital locking system for use on quantum optics experiments. Rev. of Sci. Instr. 82, 075113 (2011).
  29. Sparkes, B. M., et al. Precision Spectral Manipulation: A Demonstration Using a Coherent Optical Memory. Phys. Rev. X. 2, 021011 (2012).
  30. Gorshkov, A. V., Andre, A., Fleischhauer, M., Sorensen, A. S., Lukin, M. Universal approach to optimal photon storage in atomic media. Phys. Rev. Let. 98, 123601 (2007).
  31. Erhard, M., Helm, H. Buffer-gas effects on dark resonances: Theory and experiment. Phys. Rev. A. 63, 043813 (2001).
  32. Balabas, M. V., et al. High quality anti-relaxation coating material for alkali atom vapor cells. Opt. Expr. 18, 5825-5830 (2010).
  33. Balabas, M. V., Karaulanov, T., Ledbetter, M. P., Budker, D. Polarized alkali-metal vapor with minutelong transverse spin-relaxation time. Phys. Rev. Let. 105, 070801 (2010).
  34. Buchler, B. C., Hosseini, M., Hétet, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K. Precision spectral manipulation of optical pulses using a coherent photon echo memory. Opt. Let. 35, 1091-1093 (2010).
  35. Higginbottom, D. B. Spatial Multimode Storage in a Gradient Echo Memory [dissertation]. , Australian National University. (2012).
  36. Sparkes, B. M., et al. Gradient echo memory in an ultra-high optical depth cold atomic ensemble. arXiv. , (2012).

Tags

الفيزياء، العدد 81، الذاكرة الكم، الفوتون الصدى، بخار الروبيديوم، خلية الغاز، والذاكرة البصرية، والذاكرة التدرج الصدى (GEM)
التدرج صدى الذاكرة الكم في الحارة بخار الذرية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pinel, O., Hosseini, M., Sparkes, B. … More

Pinel, O., Hosseini, M., Sparkes, B. M., Everett, J. L., Higginbottom, D., Campbell, G. T., Lam, P. K., Buchler, B. C. Gradient Echo Quantum Memory in Warm Atomic Vapor. J. Vis. Exp. (81), e50552, doi:10.3791/50552 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter