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Engineering

गर्म परमाणु भाप में ढाल गूंज क्वांटम मेमोरी

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

ढाल गूंज स्मृति परमाणु समूहों में प्रकाश का ऑप्टिकल राज्यों मात्रा के संचय के लिए एक प्रोटोकॉल है. क्वांटम मेमोरी क्वांटम कुंजी वितरण की रेंज का विस्तार कर सकते हैं जो एक क्वांटम अपराधी का एक महत्वपूर्ण तत्व है. एक 3 स्तरीय परमाणु टुकड़ी में कार्यान्वित जब हम योजना के संचालन की रूपरेखा तैयार.

Abstract

ढाल गूंज स्मृति (मणि) परमाणु समूहों में प्रकाश का ऑप्टिकल राज्यों मात्रा के संचय के लिए एक प्रोटोकॉल है. इस तरह के एक प्रौद्योगिकी के लिए प्राथमिक प्रेरणा क्रिप्टोग्राफ़िक कुंजियाँ की सुरक्षा की गारंटी की हाइजेनबर्ग अनिश्चितता का उपयोग करता है जो क्वांटम कुंजी वितरण (QKD), संचरण दूरी में सीमित है. एक क्वांटम अपराधी के विकास QKD रेंज का विस्तार करने के लिए एक संभव मार्ग है, लेकिन एक अपराधी एक क्वांटम मेमोरी की आवश्यकता होगी. हमारे प्रयोगों में हम एक गर्म गैस सेल में निहित है कि रूबिडीयाम 87 वाष्प की एक गैस का उपयोग करें. यह योजना विशेष रूप से आसान बना देता है. यह भी ऐसी आवृत्ति बदलता है और बैंडविड्थ जोड़ - तोड़ के रूप में जमा राज्य की स्मृति में शोधन, सक्षम बनाता है एक बहुत बहुमुखी योजना है. मणि प्रोटोकॉल का आधार एक चुंबकीय क्षेत्र ढाल में तैयार किया गया है कि परमाणुओं का एक जोड़ा में प्रकाश को अवशोषित करने के लिए है. इस ढाल के उलट परमाणु ध्रुवीकरण की rephasing और संग्रहीत ऑप्टिकल राज्य का इस तरह याद करने के लिए ले जाता है. डब्ल्यूई हम परमाणु और इस ढाल तैयार रूपरेखा कैसे और भी ऑप्टिकल लाभ को जन्म दे सकता है, जो विशेष रूप से चार लहर मिश्रण में परहेज करने की आवश्यकता है कि नुकसान से कुछ का वर्णन करेंगे.

Introduction

क्वांटम सूचना प्रौद्योगिकी का सामना करना पड़ बकाया चुनौतियों में से एक क्वांटम राज्यों के लिए एक स्मृति का निर्माण करने की क्षमता है. Photonic क्वांटम कंप्यूटिंग 1, या एक क्वांटम कुंजी वितरण प्रणाली 2 में इस्तेमाल एक क्वांटम अपराधी के लिए, यह प्रकाश 3 की मात्रा राज्यों स्टोर कर सकते हैं कि एक स्मृति के निर्माण का मतलब है. इस लक्ष्य की दिशा में उठाए गए तरीकों में से एक तो controllably कुछ बाद में समय पर प्रकाश रिलीज स्टोर करने के लिए इस तरह के रूप में नियंत्रित किया जा सकता है कि परमाणुओं की टुकड़ियों का इस्तेमाल होता है. कई तकनीकों electromagnetically प्रेरित पारदर्शिता (ईआईटी) 4, परमाणु आवृत्ति कंघी (एएफसी) 5, 6, 7, चार मिश्रण लहर (FWM) 8, रमन अवशोषण 9, फैराडे बातचीत 10 और फोटोन गूंज तकनीक 11, 12 सहित विकसित किया गया है , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, ​​19.

इस पत्र का ध्यान केंद्रित Λ है - तीन का उपयोग कर काम करता है जो ढाल गूंज मेमोरी (Λ-मणि),स्तर 'Λ' संरचित परमाणु मीडिया. यह शुरू में 2008 20 में एक गर्म आरबी भाप कक्ष में लागू किया गया था. इस योजना के प्रकाश दालों के लिए एक रैंडम एक्सेस मेमोरी, 21 के रूप में इस्तेमाल किया गया है, 87% के रूप में 22 के रूप में उच्च एक प्रदर्शन दक्षता राज्यों मात्रा 23 के नीरव भंडारण प्रदान करता है और nonlinear ऑप्टिकल आपरेशन 24 के लिए एक मंच के रूप में कुछ वादा दिखाता है. हम भी हाल ही में गर्म परमाणु वाष्प 25 के साथ इस स्मृति की बातचीत के बारे में कुछ विस्तार में चला जाता है कि एक पत्र प्रकाशित किया है.

तकनीक का सार हम परमाणुओं प्रकाश की एक नाड़ी अवशोषित करेंगे कि इतने inhomogeneously चौड़ी है कि परमाणुओं का एक जोड़ा तैयार है. चित्रा 1 ए में दिखाया गया के रूप में हमारे प्रयोग में हम, रमन अवशोषण का उपयोग करें. संग्रहित किया जा रहा है जो जांच प्रकाश, परमाणुओं के दो जमीन राज्यों के बीच जुटना पर मैप किया जाएगा. विस्तार एक चुंबकीय क्षेत्र gradien लगाने से प्रदान की जाती हैऑप्टिकल प्रसार की दिशा के साथ टी, चित्रा 1 बी में दिखाया गया है, रमन अवशोषण आवृत्तियों में एक स्थानिक ढाल उत्प्रेरण. संग्रहीत नाड़ी की अलग आवृत्ति घटक इस प्रकार रैखिक परमाणु कलाकारों की टुकड़ी की लंबाई के साथ अलग स्थानिक स्थानों के लिए मैप किए जाते हैं. दूसरे शब्दों में, इनपुट नाड़ी के अवशोषण द्वारा उत्पन्न की है कि परमाणु स्पिन लहर के स्थानिक प्रोफ़ाइल इनपुट नाड़ी की लौकिक प्रोफाइल के बदलने फूरियर के लिए आनुपातिक है. हम बाद में रूपरेखा तैयार करेंगे, यह भी इस स्मृति की दिलचस्प वर्णक्रमीय प्रसंस्करण क्षमताओं के कुछ सक्षम बनाता है कि इस आवृत्ति ढाल है. क्षेत्र ढाल पीछे द्वारा, परमाणु कलाकारों की टुकड़ी का जुटना का विकास समय उलट हो सकता है. यह प्रकाश की नाड़ी की बहाली के लिए अनुमति देता है.

Protocol

1. कुछ कस्टम निर्मित तत्वों

  1. अंगूठी resonators

    इस प्रयोग में, विभाजन और विभिन्न आवृत्तियों की कड़ियां कि गठबंधन दो अंगूठी resonators आवश्यक हैं. गुहा के डिजाइन छवि में दिखाया गया है. 2.
    1. थोक एल्यूमीनियम का एक खोखले सिलेंडर के आसपास resonators बनाएँ. एक छोर पर, समान परावर्तन के साथ दो फ्लैट दर्पण माउंट. विपरीत सिरे पर एक अधिकतम परावर्तन घुमावदार दर्पण माउंट. दर्पण गुहा स्पेसर से चिपके होने की जरूरत नहीं है. स्पेसर का सावधान मशीनिंग के साथ, अंत टोपियां जगह में उन्हें पकड़ के लिए पर्याप्त हैं.
    2. गुहा अनुनाद आवृत्ति के नियंत्रण की अनुमति के लिए एक O-अंगूठी और piezoelectric actuator साथ घुमावदार दर्पण का मिश्रण. दर्पण के पीछे piezo साथ, दर्पण और गुहा स्पेसर के बीच O-अंगूठी रखें. अंत दर्पण की तेजी actuation के लिए अनुमति देने के लिए अंत टोपी के साथ गुहा स्पेसर पर इन तत्वों सेक. O-अंगूठी संपीड़न का संयोजनऔर उच्च गति piezo आम तौर पर 10 kHz से अधिक नियंत्रण बैंडविड्थ के लिए अनुमति देते हैं.
      नोट: इस उदाहरण के लिए, spacers के बारे में 25 सेमी लंबे होते हैं. नियंत्रण और जांच प्रकाश hyperfine बंटवारे मुक्त वर्णक्रमीय रेंज की एक बहु नहीं होना चाहिए जिसका मतलब है कि, coresonant नहीं कर रहे हैं तो यह चुना जाना चाहिए, हालांकि यह लंबाई, मनमाना है. कारण रिंग ज्यामिति, गुहा अलग चालाकी की nondegenerate ध्रुवीकरण मोड होगा. कस्टम लेपित दर्पण पी ध्रुवीकृत प्रकाश के लिए करीब 100 की एक चालाकी की ओर जाता है जो S-ध्रुवीकृत प्रकाश, के लिए 1000 के आसपास चालाकी से एक गुहा प्रदान करने के लिए निर्दिष्ट कर रहे हैं. इन प्रयोगों आमतौर पर कम चालाकी मोड पर आयोजित की जाती हैं जबकि मुस्कराते हुए मजबूत छानने आवश्यक होना चाहिए, सेटअप आसानी से उच्च चालाकी मोड के लिए बंद किया जा सकता है.
  2. स्मृति सेल और अपने आवास के डिजाइन
    1. स्मृति तंत्र का निर्माण करने के लिए, isotopically बढ़ाकर 87 आरबी अल युक्त एक लंबे सेल का उपयोगकेआर बफर गैस की 0.5 Torr साथ ओंग. सेटअप में, लंबाई 20 सेमी है. सेल की खिड़कियों antireflection लेपित हैं. यह सेल एक nonmagnetic हीटिंग तार का उपयोग लगभग 80 डिग्री सेल्सियस तक गर्म किया जाना चाहिए.
    2. तीन गाढ़ा solenoids में सेल डिब्बे में बंद. दो भीतरी solenoids चुंबकीय क्षेत्र ढ़ाल बनाने के लिए. इन solenoids हवा के लिए, Biot-सावर्ट समीकरण का उपयोग कर एक अनुकरण करते हैं. एक रैखिक बदलती चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करेगा कि चर पिच solenoid अनुकरण.
    3. एक रेखांकन प्रोग्राम का उपयोग करना, कागज के एक टुकड़े पर इस सर्पिल के एक भूखंड बाहर प्रिंट. पाइप पर तार का पालन करें और हवा के लिए एक लाइन उपलब्ध कराने के लिए एक पीवीसी पाइप के आसपास कागज में लपेटकर.

      नोट: इस सेटअप में coils, धार प्रभाव से बचने के लिए गैस सेल की अधिक दो बार लंबाई, 50 सेमी लंबे होते हैं. व्यास चुंबकीय क्षेत्र ज्यादातर अनुदैर्ध्य हैं सुनिश्चित करने के लिए दो बार सेल का व्यास है जो 6 और 10 सेमी,, कर रहे हैं. ढाल solenoids इतना था एक दूसरे का विरोधउन दोनों के बीच टी स्विचिंग (अंजीर. 3 देखें) ढाल के हस्ताक्षर स्विच जाएगा. एक ठेठ प्रयोग में, वर्तमान की 2-3 इन coils के माध्यम से चलाया जाता है और coils 3-4 μsec में बदल रहे हैं.

    4. स्विचिंग समय का अनुकूलन और बंद दोलनों coils के साथ श्रृंखला में 200 Ω भिगोना प्रतिरोधों का उपयोग करें. Zeeman के स्तर का पतन लिफ्ट करने के लिए एक डीसी चुंबकीय क्षेत्र प्रदान करने के लिए प्रयोग किया जाता है कि तीसरे सामान्य रूप से घाव का तार अंदर इन दो solenoids रखें. रूबिडीयाम चुंबकीय क्षेत्र 26 के बारे में 1.4 मेगाहर्ट्ज / जी की एक पारी है. ढ़ाल 2 जी / एम होगा, जबकि एक ठेठ डीसी क्षेत्र, 6 ग्राम है.
    5. प्रयोग पर पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के प्रभाव को कम करने के लिए तीन चुंबकीय coils के चारों ओर μ धातु परिरक्षण की दो परतों रखें.

2. ऑप्टिकल किरण पथ का लेआउट

  1. 795 एनएम पर रूबिडीयाम डी 1 लाइन के पास tuned एक एकल मोड लेजर का उपयोग करें. आवृत्ति की निगरानी3 चित्र में दिखाया गया है, एक संतृप्त अवशोषण माप का उपयोग कर लेजर की. = 2 संक्रमण एफ के लिए = 2 एफ 'से ऊपर के बारे में 1.5 गीगा आवृत्ति बेसूरा. इस नियंत्रण किरण की अनुमानित आवृत्ति हो जाएगा.
  2. Beamsplitter BS2 पर नियंत्रण बीम के लिए फार्म मुख्य लेजर से कुछ प्रकाश नल. Acousto ऑप्टिक न्यूनाधिक AOM1 का उपयोग करके अपनी आवृत्ति परिवर्तन. इस AOM भी नियंत्रण बीम सत्ता के मॉडुलन की अनुमति देता है. , AOM ड्राइव एक टीटीएल संकेत द्वारा नियंत्रित किया जाता है कि एक आरएफ स्विच के माध्यम से एक संकेत स्रोत के उत्पादन में पारित, और फिर AOM में भेजने से पहले संकेत बढ़ाना. इस AOM की ड्राइव आवृत्ति को बदल कर, उदाहरण के लिए रमन अवशोषण का अनुकूलन करने के लिए ठीक धुन नियंत्रण आवृत्ति,. सेटअप में AOMS की आरएफ ड्राइव आवृत्ति 80 मेगाहर्ट्ज है, लेकिन इस मनमाना है.
  3. नियंत्रण बीम से 6.8 गीगा, यह आवृत्ति की hyperfine जमीन राज्य बंटवारे द्वारा किया जा रहा, क्वांटम स्मृति में संग्रहीत किया जाएगा, जो जांच किरण, बेसूराआरबी 87. इस आवृत्ति को तैयार करने के लिए, एक 6.8 गीगा माइक्रोवेव स्रोत से प्रेरित है कि एक फाइबर युग्मित इलेक्ट्रो ऑप्टिक न्यूनाधिक के माध्यम से लेजर गुजरती हैं. इस वाहक आवृत्ति के ऊपर और नीचे 6.8 गीगा के harmonics पर sidebands की एक सरणी, उत्पन्न करता है.
  4. एक शुद्ध आवृत्ति के साथ एक जांच किरण को प्राप्त करने के छह अलग. 8 गीगा प्रकाश अन्य सभी अवांछित मॉडुलन sidebands से. ऐसा करने के लिए, अंगूठी cavities से एक का उपयोग. 6. 8 गीगा साइडबैंड साथ गूंज पर गुहा 1 ताला. अन्य सभी आवृत्तियों परिलक्षित होते हैं, जबकि यह आवृत्ति तो इस प्रकार रूबिडीयाम परमाणुओं के एफ = 1 जमीन राज्य संबोधित करेंगे कि एक शुद्ध आवृत्ति की तैयारी, गुंजयमान यंत्र के माध्यम से प्रेषित किया जाएगा. गुहा इनपुट दर्पण से परावर्तित प्रकाश का उपयोग कर,] पौंड Drever-हॉल तकनीक 27 का उपयोग बंद किया जा सकता है.
  5. BS3 पर लेजर बीम का एक हिस्सा बंद ठोकर और ठीक आवृत्ति के नियंत्रण और जांच बीम की तीव्रता अनुमति देने के लिए AOM2 के माध्यम से भेज देते हैं. वहाँAOM ड्राइव करने के लिए उपलब्ध तरीकों के एक जोड़े हैं. उदाहरण के लिए, 80 मेगाहर्टज पर संग्राहक गाऊसी दालों उत्पन्न करने के लिए सेट एक प्रोग्राम संकेत जनरेटर का उपयोग करें. वैकल्पिक रूप से, 80 मेगाहर्टज पर संग्राहक एक नाड़ी देने के लिए एक आरएफ मिक्सर में एक नाड़ी के साथ एक निरंतर 80 मेगाहर्ट्ज संकेत गठबंधन. बहरहाल, इस संग्राहक गाऊसी तो प्रवर्धित और AOM की एक diffracted क्रम में प्रकाश की एक नाड़ी देने के लिए AOM में भेज दिया जाता है.
    नोट: यह diffracted क्रम स्मृति में संग्रहित किया जा सकता है कि प्रकाश की सूक्ष्मता नियंत्रित दालों प्रदान करेगा. दालों के आयाम AOM ड्राइव शक्ति के संयोजन का उपयोग और BS1 के बंटवारे अनुपात अलग देखते जा सकता है. इस पल्स आयाम की एक विस्तृत श्रृंखला के विश्वसनीय उत्पादन की अनुमति देता है, और विशेष रूप से, मतलब फोटोन संख्या कम से कम 1 23 के साथ बहुत कमजोर दालों के उत्पादन की अनुमति देता है.
  6. अगले चरण में जांच और नियंत्रण मुस्कराते हुए recombine है. यह एक साधारण beamsplitter के साथ किया जा सकता है, लेकिन यह है कि प्रकाश के कुछ हिस्से को खोने का मतलब होगा.जांच और नियंत्रण के ध्रुवीकरण के orthogonal थे तो दोषरहित पुनर्संयोजन एक ध्रुवीकरण बीम फाड़नेवाला का उपयोग कर प्राप्त किया जा सकता है, लेकिन भंडारण ही सही मायने में जांच और नियंत्रण polarizations के स्वतंत्र नियंत्रण के माध्यम से अनुकूलित किया जा सकता है.
    1. इस लक्ष्य को हासिल करने के लिए, एक दूसरे, उच्च दक्षता, प्रतिबाधा मिलान किया गया, अंगूठी गुहा का उपयोग करें. नियंत्रण क्षेत्र उत्पादन दर्पण से परिलक्षित होता है, जबकि जांच किरण, के माध्यम से फैलता है, इसलिए है कि एक गुहा सेट करें. इस दूसरी गुंजयमान यंत्र के माध्यम से जांच की ट्रांसमिशन भी चार लहर मिश्रण के साथ समस्याओं से बचने में मदद करता है जो आवृत्ति को छानने की एक दूसरी परत, प्रदान करता है.
    2. गुहा की रिवर्स मोड में इंजेक्ट किया जाता है कि एक सहायक लॉकिंग बीम (धराशायी लाइन) का उपयोग कर जांच किरण की आवृत्ति के लिए इस गुहा लॉक. जांच किरण से एक अलग आवृत्ति, ध्रुवीकरण और स्थानिक मोड पर ट्यून इस बीम यह प्रतिकूल जांच बीम को प्रभावित किए बिना प्रतिबिंब पर पता लगाया जा सकता है कि इतने. इस प्रयास के लिए कारण है कि यहगुहा लॉक करने के लिए कम बिजली, स्पंदित जांच बीम का उपयोग करने दुष्टता के साथ मुश्किल है. नियंत्रण और जांच मुस्कराते हुए क्रमश: 7 मिमी और 3 मिमी आकार स्मृति सेल से पहले collimated रहे हैं.
    3. स्मृति सेल से पहले नियंत्रण क्षेत्र बिजली ~ 270 मेगावाट है और जांच सत्ता प्रयोग चलाने के आधार पर कुछ microwatts करने के लिए शून्य से चुना जा सकता है. एक चौथाई लहर प्लेट का उपयोग करना, (लगभग) परिपत्र और एक ही helicity का होना करने के लिए संयुक्त जांच और नियंत्रण मुस्कराते हुए ध्रुवीकरण को समायोजित. स्मृति गैस सेल तंत्र में उन्हें इंजेक्षन.
  7. एक LabVIEW कार्यक्रम 28 का उपयोग प्रयोग के सभी तत्वों की समय नियंत्रण. एक ठेठ कर्तव्य चक्र 120 μsec होगा. स्मृति आपरेशन के साथ हस्तक्षेप से बचने के लिए स्मृति भंडारण के समय के दौरान हीटर बंद कर दें. एक ठेठ समय अनुक्रम 4 चित्र में दिखाया गया है. जब संभव प्रकाश स्मृति में संग्रहीत किया जाता है, जबकि नियंत्रण बीम बंद. एक गर्म गैस सेल में, हालांकि वेंई रमन संक्रमण डॉपलर चौड़ाई से परे उत्साहित राज्य से detuned है, नियंत्रण क्षेत्र अभी भी कारण सहज रमन बिखरने की गैर शून्य संभावना को स्मृति में असम्बद्धता का एक महत्वपूर्ण स्रोत हो सकता है. रमन बिखरने नियंत्रण क्षेत्र बिजली के लिए आनुपातिक है और inversely detuning को चुकता. नियंत्रण क्षेत्र पूरे भंडारण समय के दौरान पर रखा जाता है, तो यह दो कम राज्यों के साथ बातचीत और बिखरने से परिभाषित घातीय दर के साथ जुटना नष्ट कर सकते हैं. इस चर्चा अनुभाग में आगे बताया गया है.
  8. भंडारण और याद करने के बाद किरण से नियंत्रण क्षेत्र पट्टी करने के क्रम में एक फ़िल्टरिंग सेल के माध्यम से जांच गुजरती हैं. यह आरबी की एक प्राकृतिक मिश्रण के साथ एक सेल का उपयोग करना संभव है. 85 आरबी दमन की 60 डीबी प्रदान करने, नियंत्रण किरण आवृत्ति पर दृढ़ता से हावी है और अवशोषित. जांच किरण आमतौर पर 1.4 डीबी, बहुत कम तनु है. 140 डिग्री सेल्सियस पर गरम लंबे समय से एक सेल 75 मिमी, का प्रयोग करेंIsotopically बढ़ाकर 85 आरबी के साथ एक सेल कम जांच अवशोषण के लिए नेतृत्व करेंगे.
  9. अंतिम चरण के लिए एक homodyne या heterodyne का पता लगाने का उपयोग कर, जांच दालों का पता लगाने है. इस विधि का पता लगाने का फायदा यह तो कुछ अवशिष्ट नियंत्रण प्रकाश माप पर कोई असर नहीं पड़ेगा चयनात्मक मोड है. गूंज एक half-wave/quarter-wave थाली संयोजन का उपयोग रैखिक किया जाता है कि एक (पास) परिपत्र ध्रुवीकरण है.
    1. स्थानीय थरथरानवाला उत्पादन BS4 पर बीम का एक हिस्सा बंद नल और AOM4 का उपयोग अपनी आवृत्ति शिफ्ट करने के लिए. एक तेजी आस्टसीलस्कप का उपयोग homodyne या हेट्रसंकरण सेटअप से संकेत स्टोर, LabVIEW नियंत्रण कार्यक्रम को शुरू हो गया.

Representative Results

1. एक नैदानिक ​​उपकरण के रूप रमन अवशोषण का प्रयोग

प्राप्त करने के लिए पहले परिणाम जांच किरण प्रकाश की एक रमन लाइन अवशोषण है. इस अवशोषण सुविधा का अनुकूलन सबसे अच्छा स्मृति प्रदर्शन को प्राप्त करने की दिशा में एक लंबा रास्ता जाता है. चुंबकीय ढाल coils बंद के साथ, नियंत्रण आवृत्ति एक कमजोर निरंतर जांच लहर की मौजूदगी में स्कैन किया जा सकता. जांच बीम का अवशोषण सीधे परमाणु सेल के ऑप्टिकल घनत्व से संबंधित है. उस आधार पर, नियंत्रण किरण की सेल, शक्ति और एक फोटान detuning का तापमान सबसे अच्छा संभव रमन अवशोषण देने के लिए चलने का एक प्रक्रिया के माध्यम से अनुकूलित किया जा सकता है. बहुत अधिक नियंत्रण बीम शक्ति अवशोषण बढ़ाने के लिए, लेकिन यह भी रेखा की चौड़ाई व्यापक होगा. अनुकूलित करते हैं, चौड़ाई हमारे सिस्टम में 100 kHz के आदेश की है.

ढाल coils में से एक पर स्विचिंग रमन लाइन व्यापक होगा. चौड़ी अवशोषण की चौड़ाई रोकतेखानों स्मृति के बैंडविड्थ. एक समझौता तो ऑप्टिकल स्मृति क्षमता को प्रभावित करता है जो घनत्व, और स्मृति बैंडविड्थ के बीच किया जाना है. जांच प्रसारण स्मृति बैंडविड्थ के बारे में 1 मेगाहर्ट्ज पर सेट है, जहां 5 चित्रा, में हमारे चौड़ी रमन लाइनों में से एक के लिए दिखाया गया है.

एक ही समय में दोनों चुंबकीय ढाल coils पर स्विचिंग, nonbroadened अवशोषण linewidth बरामद किया जाना चाहिए. वर्तमान परिमाण या चुंबकीय क्षेत्र के स्थानिक inhomogeneity में किसी भी बेमेल रमन अवशोषण की एक विस्तृत बनाने और विरूपण पर सीधे प्रतिबिंबित करेगा.

2. पल्स भंडारण

स्मृति के लिए सरल विन्यास भी नाड़ी भंडारण और पुनर्प्राप्ति है. चित्रा 6 में दिखाया गया है कि, अवधि 2 μsec की दालों के भंडारण और चुंबकीय ढाल coils नाड़ी चोटी के बाद 3 μsec स्विचन, उदाहरण के लिए, हो जाएगा. ऑप्टिकल घनत्व कम है, तो कुछ प्रकाश leakaजीई माध्यम की ऑप्टिकल घनत्व (ओवर ड्राफ्ट) के आधार पर मनाया जाएगा. ध्यान स्मृति पैरामीटर ट्यूनिंग उच्च क्षमता भंडारण प्राप्त करने के लिए आवश्यक है. इस स्मृति सेल तापमान के अनुकूलन शामिल है, जांच और नियंत्रण के क्षेत्र के बीच सावधान संरेखण, मुस्कराते हुए सही ध्रुवीकरण सुनिश्चित करने, अवशोषण और बिखरने के बीच सबसे अच्छा समझौता खोजने के लिए नियंत्रण बीम की तीव्रता ट्यूनिंग और की आवृत्तियों ट्यूनिंग जांच और नियंत्रण मुस्कराते हुए. यह अनुकूलन पद्धति आगे चर्चा खंड में विस्तार से बताया है. इन सभी मापदंडों अच्छी तरह से परिचित हैं, जब 4 μsec 22 की भंडारण समय के लिए 80% से अधिक क्षमता की उम्मीद की जा सकती है. भंडारण की दक्षता की चर्चा की गूंज के ऊर्जा और स्मृति में संग्रहीत नहीं किया गया है कि एक समान नाड़ी की ऊर्जा के बीच अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है. यह प्रभावी होने के कारण सतहों या absorpt पर Fresnel प्रतिबिंब करने के लिए उदाहरण के लिए रेखीय घाटे का असर, बाहर कारकोंछानने सेल में आयन. एक heterodyne का पता लगाने का उपयोग करते समय, दालों की ऊर्जा हेट्रसंकरण संकेत squaring और नाड़ी के लिफाफे के क्षेत्रों को मापने के द्वारा मापा जाता है.

पुनः प्राप्त नाड़ी की आवृत्ति और बैंडविड्थ ढाल coils में इंजेक्शन वर्तमान पर निर्भर करता है. इन धाराओं के सरल हेरफेर पुनः प्राप्त नाड़ी के ठीक ट्यूनिंग के लिए अनुमति देता है. (ऐसे 29 में उल्लिखित उन के रूप में) और अधिक जटिल वर्णक्रमीय जोड़तोड़ स्मृति के साथ ढाल स्वतंत्र रूप से स्थिति और समय के एक समारोह के रूप में देखते जा सकता है, जहां एक और अधिक उन्नत तार सेटअप का उपयोग किया जा सकता है.

चित्रा 1
चित्रा 1. एक) स्मृति में इस्तेमाल 87 आरबी डी 1 लाइन के भीतर स्तर योजना. जांच के प्रकाश रमन एक जुटना शर्त बनाने के लिए अवशोषित हो जाती है = 1 एफ और एफ = 2 जमीन राज्यों समझना. ख) चुंबकीय क्षेत्र ढाल सेल की लंबाई के साथ जमीन को राज्यों के स्थानिक निर्भर detuning देता है. ढाल के पीछे और पर नियंत्रण किरण मोड़ संग्रहीत जांच प्रकाश की याद देता है. ([34] से अनुकूलित). बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 2
चित्रा 2. एक ऑप्टिकल मोड क्लीनर के योजनाबद्ध. एक विवरण के लिए तरीके खंड को देखें. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

ig3.jpg "चौड़ाई =" 500px "/>
चित्रा 3. प्रयोगात्मक स्थापना के योजनाबद्ध AOM = acousto ऑप्टिक न्यूनाधिक;. EOM = इलेक्ट्रो ऑप्टिक न्यूनाधिक, बी एस = beamsplitter, λ / 4 = तिमाही लहर थाली. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 4
चित्रा 4. स्मृति के लिए एक विशिष्ट समय अनुक्रम. (35 से ली गई). बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 5
चित्रा 5. ठेठ heterodyned रमन लाइन चौड़ी जब वीं में से एकई चुंबकीय ढाल coils पर बंद है. डेटा (पतली ठोस लाइन) हेट्रसंकरण माप का उपयोग कर लिया है. दोलन जांच प्रकाश और स्थानीय थरथरानवाला प्रकाश के बीच हरा करने के लिए कारण है. धराशायी वक्र चौड़ी रमन लाइन का आकार है जो इस डेटा के लिफाफे से पता चलता है. (25 से संशोधित). बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 6
चित्रा 6. कम भंडारण समय के लिए विशिष्ट औसत दक्षता मणि गूंज. चुंबकीय ढाल coils टी में बंद कर रहे हैं = 10 μsec (धराशायी लाइन). लाल: इनपुट पल्स तीव्रता प्रोफाइल. ब्लू: स्मृति की तीव्रता उत्पादन, प्रकाश लीक का प्रदर्शन (लाल इनपुट नाड़ी के तहत स्पष्ट है) और टी के सही प्रतीत होता है, जो प्रतिध्वनि को याद कियावह लाइन धराशायी. बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

चित्रा 7
चित्रा 7. चार लहर विभिन्न नियंत्रण क्षेत्र शक्तियों और सेल तापमान के लिए, रमन लाइन की स्कैनिंग, प्रभाव मिश्रण. वे अधिकतम प्रभाव इतना है कि यह आंकड़ा केवल, नियंत्रण क्षेत्र और जांच की कड़ियां polarizations चुना गया. पीसी नियंत्रण बीम शक्ति है. (25 से संशोधित). बड़ी छवि को देखने के लिए यहां क्लिक करें .

Discussion

उच्च स्मृति दक्षता के लिए एक आवश्यक शर्त एक उच्च आयुध डिपो [30] है. Λ-मणि के आयुध डिपो Ω_c युग्मन क्षेत्र रबी आवृत्ति है और Δ उत्साहित राज्य से रमन detuning है जहां रमन कारक Ω_c 2 / Δ 2, के लिए आनुपातिक है. सहज रमन बिखरने दर भी रमन कारक के लिए आनुपातिक है और इसलिए वहाँ एक व्यापार बंद उच्च अवशोषण और कम बिखरने नुकसान को प्राप्त करने के बीच. हम एक प्रक्रिया चलने का उपयोग नियंत्रण क्षेत्र बिजली, detuning और गैस के तापमान के लिए इष्टतम सेटिंग्स खोजने के लिए. पल्स पूरी तरह से अवशोषित कर लेता है के बाद बिखरने नुकसान, भंडारण के दौरान नियंत्रण बीम बंद करके कुछ हद तक कम किया जा सकता है. ऑप्टिकल गहराई भी परमाणुओं की आंतरिक स्थिति से प्रभावित होता है. आदर्श रूप में हम जांच के अवशोषण बढ़ाने के लिए एफ = 1 hyperfine स्तर में संभव के रूप में कई परमाणुओं की तरह होता है. यह करने के लिए = 2 एफ से परमाणुओं पंप करने के लिए कार्य करता है के रूप में नियंत्रण किरण भी यहाँ एक भूमिका निभाता हैएफ 1 के स्तर =. इस कारण detuning के लिए, बहुत कुशल नहीं है, लेकिन नियंत्रण किरण शक्तिशाली है और नाड़ी भंडारण प्रयोगों के बीच समय की लंबी अवधि के लिए पर छोड़ा जा सकता है. हमारे प्रयोग में रमन लाइन की चौड़ाई ज्यादातर नियंत्रण क्षेत्र की वजह से बिजली की व्यापक बनाने का एक परिणाम है, जो 100 kHz, चारों ओर है. यह लगभग परमाणुओं एफ = 1 hyperfine राज्य के लिए = 2 एफ से पंप हैं जिस दर से मेल खाती है. हालांकि कुछ आबादी की वजह से अनुमति दी ऑप्टिकल संक्रमण की कमी के = 2 hyperfine स्तर एफ की (परिपत्र ध्रुवीकरण के संकेत पर निर्भर करता है या -2) म्यूचुअल फंड = 2 पर छोड़ दिया हो जाएगा.

आयुध डिपो भी गैस चरण में परमाणुओं की संख्या निर्धारित करता है जो सेल के तापमान पर दृढ़ता से निर्भर करेगा. हम सेल के केंद्र में मापा चारों ओर 78 डिग्री सेल्सियस के तापमान, का उपयोग करें. हम अपने सेल में, नियंत्रण क्षेत्र की कुछ अवशोषण के साथ ही वें से कुछ बेतुका अवशोषण में परिणाम कर सकते हैं 85 डिग्री सेल्सियस से परे तापमान में वृद्धि देखा है किई जांच संकेत. हीटर सेल के अंदर चुंबकीय क्षेत्र परेशान करने से बचने के लिए प्रयोगात्मक चलाने के दौरान बंद है.

दोनों जांच और नियंत्रण क्षेत्रों की polarizations भी स्मृति की अवशोषण क्षमता में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं. 87Rb के डी 1 संक्रमण लाइन 8 Zeeman sublevels की कुल के साथ दो hyperfine उत्साहित राज्यों की है. सिद्धांत रूप में, जांच और नियंत्रण के खेतों दोनों के लिए समान परिपत्र polarizations के चुनाव में वे केवल = 2 उत्साहित राज्य स्तर म्यूचुअल फंड (या -2), एफ '= 2 के साथ बातचीत सुनिश्चित करता है. लेजर क्षेत्रों के रैखिक या अंडाकार polarizations = 1 एफ के अन्य Zeeman sublevels ', 2 के माध्यम से रमन युग्मन को जन्म दे. इस वजह से विभिन्न युग्मन स्थिरांक और विभिन्न संक्रमण के एसी स्टार्क बदलाव करने के लिए, रमन लाइन आकार में विस्तृत बनाने और विषमता का परिणाम देगा. दुर्भाग्य से, स्मृति से पहले तैयार हूबहू परिपत्र polarized जांच और नियंत्रण के खेतों अलग ध्रुवीकरण आत्म - आर का अनुभव कर सकते हैंotations वे स्मृति के माध्यम से प्रचार के रूप में. इस आशय अधिक हम अपने प्रयोग में है जो उच्च आयुध डिपो मीडिया में स्पष्ट है. यह जांच और नियंत्रण बीम ध्रुवीकरण के ठीक ट्यूनिंग स्वयं रोटेशन के प्रभाव प्रतिक्रिया करने के लिए आवश्यक है कि इसका मतलब है.

बड़े आयुध डिपो 25 के साथ काम करना और मामला जटिल, एक पतित चार मिश्रण लहर (FWM) प्रक्रिया कभी कभी देखा जा सकता है. इस प्रवर्धन का कारण है और फलस्वरूप स्मृति के उत्पादन में राज्य को शोर लागू कर सकते हैं. रेखीय ध्रुवीकरण नियंत्रण और जांच मुस्कराते हुए दोनों के लिए प्रयोग किया जाता है जब विशेष रूप से,, FWM प्रभाव बहुत कारण कई उत्साहित राज्यों के माध्यम से रमन उत्तेजना को बढ़ाया जा सकता है. FWM प्रक्रिया बढ़ाया या हमारे सिस्टम में दबा दिया जाता है या तो जिन स्थितियों में रेफरी 25 में संक्षेप हैं. FWM के प्रभाव से, फिर से, जांच और नियंत्रण मुस्कराते हुए ध्रुवीकरण ठीक ट्यूनिंग को कम किया जा सकता है. इस तरह, FWM प्रक्रियाओं वे करते हैं कि बात करने के लिए कम किया जा सकता हैवापस बुलाया प्रकाश 23 को शोर जोड़ नहीं. FWM के लिए सम्मान के साथ, यह दोनों cavities अन्यथा FWM प्रक्रिया बीज होता है कि फाइबर EOM द्वारा उत्पन्न -6.8 गीगा साइडबैंड दबाने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं कि ध्यान देने योग्य है.

आत्म - रोटेशन और FWM दोनों चौड़ी रमन लाइन के आकार को प्रभावित. चित्रा 5 में दिखाया गया है ठीक ट्यूनिंग के बाद, एक एक काफी सममित, मोटे तौर पर आयताकार आकार का अवशोषण सुविधा प्राप्त कर सकते हैं. इस polarizations FWM के प्रभाव को प्रदर्शित करने के लिए चुने गए हैं, जहां 7 चित्र में दिखाया मामले विरोधाभासों के साथ. यहाँ रमन सुविधा अत्यधिक असममित है.

पहले उल्लेख किया है, एक प्राकृतिक बहुतायत आरबी सेल नियंत्रण किरण फिल्टर और पहचान अनुभाग के लिए जांच बीम पारित करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. इस वजह से यह सेल के उच्च तापमान के कारण, हम सेल खिड़कियों के आसपास हवा धाराओं फिर से, heterodyne का पता लगाने के हाशिये पर दृश्यता में भिन्नता का कारण देखा है किसंकेत के उतार चढ़ाव में sulting. इस आशय तुरंत छानने सेल के बाद heterodyne का पता लगाने को लागू करने और उचित ओवन डिजाइन का उपयोग सेल खिड़कियों के आसपास हवा धाराओं को कम करने से कम से कम किया गया है. हम कारण खिड़कियों से Fresnel प्रतिबिंब करने और छानने के सेल में 87 आरबी परमाणुओं द्वारा अवशोषण करने, छानने सेल के माध्यम से लगभग 30% की एक जांच के नुकसान मनाया. इस नुकसान संभावित सेल खिड़कियों पर antireflection कोटिंग्स का उपयोग और शुद्ध 85 आरबी के बजाय आरबी की एक प्राकृतिक मिश्रण का उपयोग करके कम किया जा सकता है.

एक गर्म भाप कक्ष में, प्रसार भंडारण समय के लिए मुख्य सीमाओं में से एक है. प्रकाश को अवशोषित करने के बाद, परमाणुओं इस प्रकार आंशिक रूप से संग्रहित जानकारी को मिटाकर सुसंगत क्षेत्र से बाहर फैलाना कर सकते हैं. (हमारे प्रयोग में 0.5 Torr केआर,) एक बफर गैस जोड़ना कुछ हद तक प्रसार का प्रभाव कम कर देता है. बहुत ज्यादा बफर गैस, हालांकि, 31 को विस्तृत बनाने collisional में वृद्धि होगी. करें Dec बढ़ जाती हैजैसा कि ऊपर उल्लेख पंप की क्षमता कम कर देता है जो oherence और नियंत्रण क्षेत्र अवशोषण,. अनुप्रस्थ प्रसार के प्रभाव को कम करने के लिए एक और तरीका है जांच और नियंत्रण क्षेत्रों की अनुप्रस्थ प्रोफाइल के विस्तार से बातचीत की मात्रा को बढ़ाने के लिए है. इस दृष्टिकोण अंततः सेल दीवारों के साथ स्थिर टक्कर से सीमित हो जाएगा. इस मामले में, सेल दीवारों दीवारों पर लोचदार collisions प्रदान करते हैं और इसलिए परमाणु जुटना समय बढ़ाने के लिए, antirelaxation सामग्री 32, 33 के साथ लेपित किया जा सकता है. उचित दीवार कोटिंग्स का उपयोग और लगभग सेल पार अनुभाग को कवर करने के लिए लेजर बीम का आकार बढ़ाने स्थिर दीवार टक्कर को कम करके, एक भंडारण समय पर अनुप्रस्थ प्रसार से कम से कम प्रभाव की उम्मीद होगी. अनुदैर्ध्य प्रसार तो लंबे भंडारण समय पर प्रमुख असम्बद्धता प्रभाव हो सकता है. अनुदैर्ध्य प्रसार परमाणुओं कम reph में परिणाम कर सकते हैं कि भंडारण के समय के दौरान विभिन्न चुंबकीय क्षेत्र ताकत का अनुभव करने का कारण बनता हैasing दक्षता. अनुदैर्ध्य प्रसार को नियंत्रित करने के लिए एक तरह से इस तरह के एक चुंबक प्रकाशीय जाल (चुटकुला) में ठंडा किया गया है कि परमाणुओं के रूप में एक ठंड परमाणु पहनावा, का प्रयोग होगा. यही कारण है, हालांकि, ठंड परमाणु बादल नियंत्रित करने में शामिल प्रयोगात्मक जटिलता की एक पूरी नई परत की आवश्यकता है. यह वर्तमान में हम हमारी प्रयोगशाला में 36 में मूल्यांकन कर रहे हैं एक प्रणाली है.

Disclosures

लेखकों वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि घोषित.

Acknowledgments

अनुसंधान क्वांटम संगणना के लिए उत्कृष्टता के ऑस्ट्रेलियाई अनुसंधान परिषद केंद्र और संचार प्रौद्योगिकी, परियोजना संख्या CE110001027 द्वारा समर्थित है.

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

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References

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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).

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