Summary
Эхо памяти градиент является протоколом для хранения оптических квантовых состояний света в атомных ансамблей. Квантовая память является ключевым элементом квантового повторителя, который может расширить диапазон квантового распределения ключей. Мы общих чертах работу схемы при реализации в ансамбля атомов 3 уровня.
Abstract
Градиент эхо памяти (GEM) представляет собой протокол для хранения оптических квантовых состояний света в атомных ансамблей. Основной мотивацией для такой технологии является то, что квантовая распределение ключей (QKD), которая использует неопределенности Гейзенберга, чтобы гарантировать безопасность криптографических ключей, ограничен в дальности передачи. Развитие квантового повторителя является возможным путь расширить диапазон QKD, но повторитель понадобится квантовой памяти. В наших экспериментах мы используем газ рубидия 87 пара, который содержится в теплом газовую ячейку. Это делает схему особенно просто. Это также универсальный схема, которая позволяет в памяти уточнение сохраненного состояния, такие как изменения частоты и манипуляции полосы пропускания. Основой протокола GEM является поглощать свет в ансамбля атомов, которая была подготовлена в градиентом магнитного поля. Разворот этого градиента приводит к рефазирования атомной поляризации и, таким образом отзыве хранимой оптического состояния. Wе будут определены, как мы готовимся атомы и этот градиент, а также описать некоторые из ловушек, которые необходимо избегать, в частности ЧВ, которые могут привести к оптического усиления.
Introduction
Одним из выдающихся проблем, стоящих перед квантовой информационной технологии является возможность построить памяти для квантовых состояний. Для фотонного квантовых вычислений 1, или квантового повторителя, используемого в квантовой ключевой системы распределения 2, это означает, строительство память, которая может хранить квантовые состояния света 3. Один из подходов к достижению этой цели является использование ансамбли атомов, которыми можно управлять таким образом, чтобы сохранить, а затем контролируемо выпустить свет через некоторое время. Многочисленные методы были разработаны в том числе электромагнитно-индуцированной прозрачности (ЭИП) 4, атомный частотная гребенка (АФК) 5, 6, 7, четырех-волнового смешения (ЧВС) 8, комбинационное поглощения 9, Фарадей взаимодействия 10 и фотонного эха методы 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
В центре внимания этой работы является Λ - Градиент Эхо памяти (Λ-GEM), который работает с помощью трехСтруктурированные атомные СМИ первого уровня 'Λ'. Первоначально она была реализована в теплом Rb клетке пара в 2008 году 20. Эта схема была использована в качестве оперативной памяти для световых импульсов, 21, имеет продемонстрировали эффективность так высоко, как 87% 22, обеспечивает бесшумную хранение квантовых состояний 23 и подает некоторые надежды в качестве платформы для нелинейных оптических операций 24. Мы также недавно опубликовал статью, которая входит в некоторых деталях о взаимодействии этой памяти с теплой атомного пара 25.
Суть метода в том, что мы готовим ансамбль атомов, которая неоднородноуширенных так, что атомы поглощают импульс света. В нашем эксперименте мы используем всасывание комбинационного, как показано на рисунке 1а. Зонд свет, который должен быть сохранен, будет отображена на когерентность между двумя основными состояниями атомов. Расширение обеспечивается путем применения магнитного поля gradienт вдоль направления оптической распространения, вызывая пространственный градиент в частот поглощения комбинационного рассеяния, как показано на рисунке 1b. Различные частотные составляющие хранимой импульса, таким образом, отображается в различных пространственных мест линейно вдоль длины атомного ансамбля. Другими словами, пространственный профиль атомной спиновой волны, которая генерируется за счет поглощения входного импульса пропорциональна преобразования Фурье временного профиля входного импульса. Как мы обрисуем позже, именно этот градиент частоты, что также позволяет некоторые из интересных спектральных технологических возможностей этой памяти. По вспять градиента поля, эволюция когерентности атомного ансамбля может занять много времени вспять. Это дает возможность поиска импульса света.
Protocol
1. Некоторые на заказ элементы
Кольцевые резонаторы
В этом эксперименте две кольцевые резонаторы, которые разделять и объединять пучки различных частот не требуется. Конструкция полости показана на рис. 2.- Сборка резонаторы вокруг выдолбленных цилиндра массивного алюминия. На одном конце, смонтировать два плоских зеркала с одинаковым коэффициентом отражения. На противоположном конце установки максимальной отражательной вогнутое зеркало. Зеркала не должны быть приклеены к полости прокладки. При тщательном обработки распорки, конечные колпачки достаточно, чтобы держать их в месте.
- Смешайте вогнутое зеркало с уплотнительным кольцом и пьезоэлектрического привода, чтобы обеспечить контроль над полостью резонансной частоте. Поместите уплотнительное кольцо между зеркалом и полости распорки, с пьезо за зеркалом. Сжатие эти элементы на полости прокладки с торцевой крышки, что позволяет быстро приведения в действие конечного зеркала. Сочетание сжатия уплотнительного кольцаи высокоскоростной пьезо обычно позволяют управления полосой пропускания свыше 10 кГц.
Примечание: В данном примере прокладки длиной около 25 см. Эта длина является произвольным, хотя это должно быть выбрано таким образом, что контроль и зондирующего света не coresonant, что означает, что сверхтонкое расщепление не должно быть кратно свободного спектрального диапазона. В связи с кольцевой геометрии, полость будет иметь невырожденных мод поляризации различной тонкостью. Пользовательские покрытием зеркала задаются, чтобы обеспечить полость изяществом вокруг 1000 для S-поляризованного света, что приводит к изяществом около 100 для р-поляризованного света. Хотя эти эксперименты обычно проводят на режиме низкого утонченность, установка может быть легко переведен в режим высокого утонченность следует требовать сильнее фильтрация из пучков.
- Конструкция ячейки памяти и ее жилья
- Чтобы построить аппарат памяти, использовать длинный ячейку, содержащую изотопно повышенную 87 Rb альОнг 0,5 Торр КР буферного газа. В настройках, длина 20 см. Окна этой ячейки антибликовым покрытием. Эта клетка должна быть нагрета до около 80 ° С с использованием немагнитного нагревательный провод.
- Encase ячейку, в трех концентрических соленоидов. Две внутренние электромагниты создают градиентов магнитного поля. Для намотки эти соленоидов, выполнить моделирование с помощью уравнения Био-Савара. Имитация соленоид переменным шагом, который обеспечит линейно переменного магнитного поля.
- Используя программу, графиков, распечатать график этой спирали на листке бумаги. Оберните бумагу вокруг трубы ПВХ для обеспечения линию, чтобы следовать и ветра провод на трубу.
Примечание: В этой установке катушки имеют длину 50 см, более чем вдвое превышает протяженность газовой камере, чтобы избежать краевых эффектов. Диаметры 6 и 10 см, что в два раза превышает диаметр ячейки, чтобы обеспечить магнитные поля в основном продольная. Градиентные соленоидов противопоставить друг с другом таким образом, тхат переключение между ними будет переключаться знак градиента (см. рис. 3). В типичном эксперименте, 2-3 из ток проходит через эти катушки и катушки включены в 3-4 мкс.
- Чтобы оптимизировать время переключения и остановки колебания использовать 200 Ω демпфирующих резисторов с катушек. Поместите эти два соленоида внутри третьего обычно спиральными трубами, который используется для обеспечения постоянного магнитного поля, чтобы снять вырождение уровней зеемановскими. Рубидий имеет сдвиг около 1,4 МГц / G магнитного поля 26. Типичный поле постоянного тока является 6 G, в то время как градиенты бы 2 г / м.
- Поместите два слоя μ металлом теплоизоляционного покрытия вокруг трех магнитных катушек, чтобы уменьшить влияние магнитного поля Земли на эксперименте.
2. Схема Пути оптического луча
- Используйте лазер одномодового настроенный около рубидия D 1 линии на 795 нм. Монитор частотылазера с помощью измерения насыщенного поглощения, как показано на рисунке 3. Detune частоту примерно на 1,5 ГГц выше F = 2 к F '= 2 перехода. Это будет приблизительная частота управляющего луча.
- В светоделителем БС2, нажмите некоторый свет от главной лазера для формирования управления луч. Сдвиг свою частоту с помощью акустооптического модулятора AOM1. Это ОСО также позволяет модуляцию мощности управления пучка. Для привода ОСО, передавать вывод источника сигнала через коммутатор РФ, который управляется сигналом TTL, а затем усилить сигнал перед его отправкой в ОСО. Точная настройка частоты управления, оптимизировать поглощение комбинационного например, путем изменения частоты привода этого отита. Частота РФ езды из AOMs в настройках составляет 80 МГц, но это условно.
- Detune зонда луч, который будет храниться в квантовой памяти, на 6,8 ГГц из контрольной луча, эта частота, являющихся сверхтонкого расщепления основного состояния87 руб. Чтобы подготовить эту частоту, проходят лазера через волоконно-сочетании электрооптического модулятора, который приводится в движение 6,8 ГГц микроволнового источника. Это создает массив боковых полос на гармоник 6,8 ГГц, выше и ниже несущей частоты.
- Для получения зондирующего луча с чистым частоты, разделения 6. 8 ГГц свет от всех других нежелательных боковых полос модуляции. Чтобы сделать это, используйте один из кольцевых резонаторов. Блокировка полости 1 на резонанс с 6. 8 ГГц боковой полосы. Эта частота затем будет передан через резонатор, а все остальные частоты будут отражены, таким образом получая чистую частоту, которая будет адресовать F = 1 основное состояние атомов рубидия. Полость может быть заблокирован с помощью техники фунт-Drever-Холла 27], используя свет, отраженный от входного зеркала.
- Нажмите прочь часть лазерного луча на БС3 и отправить его через AOM2 чтобы точно управлять частотой и интенсивность пробного луча. Тамнесколько методов, доступных для управления ОСО. Например, можно использовать программируемый генератор сигналов набор для создания Гаусса импульсы модуляцией при 80 МГц. С другой стороны, объединить непрерывный сигнал 80 МГц с импульсом на РФ смесителе, что дает импульс модулированный при 80 МГц. В любом случае, это модулированный гауссова затем усиливается и послал в ОСО, чтобы дать импульс света в дифракционной приказом отита.
Примечание: Этот дифрагированного заказ будет обеспечивать тонко контролируемых импульсов света, которые могут храниться в памяти. Амплитуда импульсов может быть настроена с помощью комбинации власти АОМ привода и изменения соотношения расщепления из BS1. Это позволяет надежно производство широкого спектра амплитуд импульсов и, в частности, позволяет получать очень слабых импульсов со средними числами фотонов менее 1 23. - Следующим этапом является рекомбинация зондом и управляющих лучей. Это может быть сделано с помощью простой светоделитель, но это будет означать потерю некоторую часть света.Если поляризация зонда и контроля были ортогональны тогда без потерь рекомбинация может быть достигнуто с помощью поляризационного светоделителя, но память можно только по-настоящему оптимизированы с помощью независимого управления зонда и контроля поляризации.
- Для достижения этой цели, использовать второй, высокой эффективности, импеданс соответствием, кольцо полость. Установка полость так, чтобы луч зонда передается через, а поле управления отражается от выходного зеркала. Передача зонда через этот второй резонатор также содержит второй слой частотной фильтрации, которая помогает избежать проблем с четырехволновое смешение.
- Блокировка эту полость на частоте зондирующего луча с использованием вспомогательного фиксирующего луч (пунктирная линия), который вводится в реверсном режиме полости. Настроить этот луч на другую частоту, поляризации и пространственного режиме от зондирующего пучка так, что он может быть обнаружен при отражении без ущерба зондирующего пучка. Причина этого в том, что усилие этоявляется чертовски трудно использовать маломощный, луч импульсного датчика, чтобы зафиксировать полость. Контрольные и зондовые лучи коллимируется до ячейки памяти до 7 мм и 3-х размеров мм, соответственно.
- Контроль поле мощность до ячейки памяти составляет ~ 270 мВт и мощность зонда может быть выбрана от нуля до нескольких микроватт в зависимости от эксперимента перспективе. Использование четвертьволновую пластинку, регулировки поляризации комбинированной лечебной головки и управления пучками быть (приблизительно) круглой и того же спиральности. Введите их в газ ячейки памяти аппарата.
- Контролировать сроки всех элементов эксперимента с использованием LabVIEW программу 28. Типичный рабочий цикл будет 120 мкс. Отключить отопительный прибор во время хранения памяти, чтобы избежать помех при использовании памяти. Типичная последовательность синхронизации показан на рисунке 4. Когда это возможно, переключать управление пучком света от то время как свет сохраняется в памяти. В теплой газовой ячейки, хотя йпереход е комбинационного отстройке из возбужденного состояния за доплеровской ширины, поле управления все еще может быть существенным источником декогеренции в памяти в связи с ненулевой вероятностью спонтанного комбинационного рассеяния. Комбинационное рассеяние света прямо пропорциональна контрольной мощности поля и обратно пропорционально отстройки в квадрате. Если поле управления хранится на протяжении всего срока хранения, он может взаимодействовать с двух нижних состояний и уничтожить согласованности с экспоненциальной скоростью, определяемой рассеяния. Это объясняется далее в разделе обсуждения.
- После сохранения и вызова, передать зонд через фильтрующий клетки для того, чтобы лишить управляющее поле из пучка. Можно использовать клетки с естественной смеси Rb. 85 руб доминирует и сильно поглощает на частоте управления луча, обеспечивая 60 дБ подавления. Пробный пучок ослабляется значительно меньше, как правило, 1,4 дБ. Используйте сотовый 75 мм длиной, с подогревом до 140 ° СКлетка с изотопами расширенной 85 Rb может сократиться объем поглощения зонда.
- Последним шагом является обнаружение импульсов зонда, используя Гомодинный или гетеродинного детектирования. Преимущество этого метода обнаружения является то, что режим избирательного так некоторое остаточное управление светом не повлияет на измерениях. Эхо имеет (около) круговую поляризацию, которая сделана линейные использованием half-wave/quarter-wave комбинацию пластины.
- Для получения гетеродин, Отпайки часть пучка на BS4 и сдвиг его частоты с помощью AOM4. Храните сигнал от гомодинной или гетеродинного установки с помощью быстрого осциллограф, срабатывает с программой управления LabVIEW.
Representative Results
1. Использование Поглощение комбинационного как диагностический инструмент
Первый результат, чтобы получить это поглощение комбинационного линия свете пробного пучка. Оптимизация этой функции поглощения проходит долгий путь в достижении максимальной производительности памяти. С магнитные градиентных катушек выключен, частота контроля могут быть отсканированы в присутствии слабого непрерывного пробной волны. Поглощение зондирующего пучка имеет непосредственное отношение к оптической плотности атомной ячейки. Исходя из этого, температура клеток, власти управления лучом и одного фотона отстройки можно оптимизировать с помощью интерактивного процесса, чтобы дать наилучшее поглощение комбинационного рассеяния. Слишком много власти контрольно-луч будет увеличить поглощение, но и расширить ширину линии. После оптимизации, ширина порядка 100 кГц в нашей системе.
Включение одного из градиентных катушек расширит линии КР. Ширина расширенной поглощения сдерживаниямины пропускную способность памяти. Компромисс то должен быть сделан между оптической плотности, которая влияет эффективность памяти и пропускной способности памяти. Передача зонд показан для одного из наших уширенных линий комбинационного рассеяния на рисунке 5, где пропускная способность памяти, установленной до 1 МГц.
Переключение на обеих магнитных градиентных катушек в то же время, nonbroadened ширина линии поглощения должен быть восстановлен. Любое несоответствие в текущем величины или пространственной неоднородности магнитного поля будет отражать непосредственно на расширение и деформация поглощения комбинационного рассеяния.
2. Пульс хранения
Самый простой конфигурации для памяти одного хранения и поиска импульсов. Это было бы, например, хранение импульсы длительностью 2 мкс и переключение магнитного градиентных катушек 3 мкс после пика импульса, как показано на рисунке 6. Если оптическая плотность низкая, некоторый свет leakaGE будет наблюдаться в зависимости от оптической плотности (OD) среды. Тщательно настройки параметров памяти имеет важное значение для получения высокой эффективность хранения. Это включает в себя оптимизацию температуры ячейки памяти, тщательный выравнивание между зондом и управляющего поля, настраивая интенсивность управления пучком найти наилучший компромисс между поглощения и рассеяния, обеспечения правильного поляризацию лучей и настройки частоты зонд и контроля балки. Этот метод оптимизации далее объясняется в разделе обсуждения. Эффективность более 80% в течение времени хранения 4 мкс 22 можно ожидать, когда все эти параметры настроены хорошо. Эффективность хранения определяется как соотношение между энергией вспомненного эхо-сигнала и энергии идентичной импульса, который не был, хранящейся в памяти. Это эффективно факторы вне влияние линейных потерь, например за счет отражений Френеля на поверхности или absorptиона в фильтрующей камере. При использовании гетеродинного детектирования, энергия импульсов измеряется путем возведения в квадрат сигнал гетеродина и измеряя площади конвертов импульса в.
Частота и полоса пропускания извлеченного импульса зависит от ток, подаваемый в градиентных катушек. Легкое перемещение этих токов позволяет тонкой настройки извлеченного импульса. Более сложные спектральные манипуляции (например, те, которые изложены в 29) можно сделать с помощью более совершенной установки катушки, где градиент вдоль памяти может быть настроен в зависимости от местоположения и времени независимо.
Рисунок 1. а) Схема уровней в 87 Rb D 1 линии, используемой в памяти. Зонд свет комбинационного поглощается создать когерентности ставку WEEN на F = 1 и F = 2 на земле-государства. б) градиент магнитного поля дает пространственно зависимой расстройку земельных-государств по длине клетки. Реверсивный градиент и поворотом регулировочного луч на дает отзыве хранимой пробного света. (Взято из [34]). Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 2. Схема оптического очистителя режиме. Обратитесь к разделу Методы описания. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
ig3.jpg "ширина =" 500px "/>
Рисунок 3. Схема экспериментальной установки АОМ = акустооптический модулятор;. МНВ = Электро-оптический модулятор; BS = Светоделитель; λ / 4 = четвертьволновой пластинки. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 4. Типичная последовательность синхронизации для памяти. (Взято из 35). Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 5. Типичный гетеродинирована расширил комбинационного линию, когда один из гоэ магнитные градиентных катушек включен. Данные (тонкая сплошная линия) берется с помощью измерения гетеродинную. Колебание связано с битом между светом зонда и местного света генератора. Пунктиром показана огибающая этих данных, которая является форма расширенного линии КР. (Изменения от 25). Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 6. Типичный средний эффективность GEM эхо для короткого времени хранения. Магнитные градиентных катушек переключаются при Т = 10 мкс (пунктирная линия). Красный: вход профиль интенсивности импульса. Синий: выход интенсивность памяти, демонстрируя утечка света (что очевидно при входного импульса красный) и напомнил эхо, которое появляется справа от тон пунктирная линия. Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Рисунок 7. Четырехволновое взаимодействие эффект, при сканировании линии КР, для различных полевых полномочий контроля и температур клеток. Для эта цифра только, поляризации области управления и зонда балки были выбраны так, чтобы они максимизировать эффект. ПК есть сила управления лучом. (Изменения от 25). Нажмите здесь, чтобы увеличить изображение .
Discussion
Необходимым условием высокой эффективности памяти является высокая ОП [30]. ОП Λ-GEM пропорциональна фактора комбинационного Ω_c 2 / Δ 2, где Ω_c является муфта поле частота Раби и Δ является отстройка комбинационного из возбужденного состояния. Скорость спонтанного комбинационного рассеяния также пропорционально коэффициенту комбинационного и поэтому существует компромисс между достижения высокой поглощение и низкие потери на рассеяние. Чтобы найти оптимальные настройки для мощности, отстройки и газа температуры управляющего поля мы используем итерационный процесс. Потери рассеяния могут быть смягчены в некоторой степени, отключив управления луч во время хранения, после импульса полностью поглощается. Оптический глубина также зависит от внутреннего состояния атомов. В идеале мы хотели бы иметь столько атомов, как это возможно на уровне F = 1 сверхтонкой чтобы увеличить поглощение зонда. Контроль луч также играет роль здесь, как он действует, чтобы накачать атомы из F = 2, чтобыF = 1 уровень. Это не очень эффективно, в связи с отстройкой, но контроль луч является мощным и может быть оставлен в течение длительных периодов времени между экспериментами хранения импульса. Ширина линии КР в нашем эксперименте составляет около 100 кГц, что является в основном результатом питания уширения, вызванного области управления. Это почти соответствует скорости, с которой атомы перекачиваемой из F = 2 в состояние F = 1 сверхтонкого. Однако там будут какие-то население осталось на MF = 2 (или -2 в зависимости от знака циркулярной поляризации) от уровня сверхтонкой F = 2 из-за отсутствия разрешенных оптических переходов.
ОП также сильно зависят от температуры ячейки, которая определяет число атомов в газовой фазе. Мы используем температуру около 78 ° С, измеренную в центре ячейки. Мы заметили, что в нашей камере, повышение температуры сверх 85 ° С может привести к некоторому поглощения поля управления, а также некоторые некогерентного поглощения гоСигнал е зонд. Нагреватель выключен во время экспериментального пробега, чтобы избежать нарушения магнитного поля внутри клетки.
Поляризация обоих зондов и контрольных полей также играют важную роль в эффективности поглощения памяти. D1 линия перехода из 87Rb имеет два сверхтонких возбужденных состояний с в общей сложности 8 зеемановскими подуровнями. В принципе, выбор одинаковых круговых поляризаций как для зонда и полей управления гарантирует, что они только взаимодействуют с возбужденного уровня государственной MF = 2 (или -2), F '= 2. Линейные или эллиптические поляризации лазерных полей порождают комбинационного связи через других подуровней зеемановских F '= 1, 2. Это приведет к уширению и асимметрии в форме линии комбинационного, в связи с различными константами связи и Штарка сдвигов различных переходов. К сожалению, одинаково круговой поляризацией зонд и контроля поля, подготовленные перед памятью могут испытать различные поляризации собственного гotations как они распространяются через память. Этот эффект более выражен в высоких OD СМИ, которые мы имеем в нашем эксперименте. Это означает, что тонкая настройка зонда и управления поляризации пучка необходима для противодействия влияния собственного вращения.
Чтобы еще более усложнить положение, дегенерат четьрехволновые (ЧВС) процесс иногда можно увидеть при работе с большим ОД 25. Это может вызвать усиление и, следовательно, вносить шум в выходном состоянии памяти. В частности, при линейной поляризации используется как для контроля и зондовых балок, ЧВС эффект может быть значительно повышена за счет возбуждения комбинационного через несколько возбужденных состояний. Условия, при которых процесс ЧВС либо усиленного или подавленного в нашей системе сведены в работе 25. Воздействие ЧВС могут быть смягчены, опять же, тонкой настройки поляризацию зонда и контроля пучков. Таким образом, FWM процессы можно свести к тому, что они делаютне добавить шум к напомнил света 23. В отношении ЧВС, стоит отметить, что оба полости играют важную роль в подавлении ГГц боковую полосу -6,8 порожденную волоконно-МНВ, которые иначе семя процесс ЧВВ.
Оба самовращение и ЧВС влияет на форму уширенного линии КР. После точной настройки, можно добиться совершенно симметричный, примерно прямоугольную функцию профилированного поглощения, как показано на рисунке 5. Это контрастирует со случаем, показанным на фиг.7, где поляризации были выбраны, чтобы продемонстрировать воздействие FWM. Здесь функция комбинационного очень асимметричным.
Как упоминалось ранее, природное содержание Rb клеток используется для фильтрации светораспределение и передавать зондирующего пучка в секцию обнаружения. Из-за высокой температуры этой клетки, мы заметили, что воздушные потоки вокруг клетки окон вызвать изменение в интерференционных полос в гетеродинного детектирования, повторноконсалтинговые в флуктуаций сигнала. Этот эффект был минимизирован за счет реализации гетеродинным сразу после фильтрации клетки и уменьшения токов воздух вокруг клеточных окон с помощью соответствующего печь дизайн. Мы наблюдали потерю зонда около 30% через фильтрующую ячейку, из-за отражений Френеля из окон и с поглощением атомов 87 Rb в фильтрации клетки. Эта потеря может потенциально быть снижена с помощью просветляющих покрытий на клеточных окон и с использованием чистого 85 Rb вместо природной смеси Rb.
В теплой камере паров, диффузия является одним из главных ограничений на время хранения. После поглощать свет, атомы могут диффундировать из когерентной области, тем самым частично стереть сохраненную информацию. Добавление буферного газа (0,5 Торр КР, в нашем эксперименте) уменьшает эффект диффузии в некоторой степени. Слишком много буферного газа, однако, приведет к увеличению ударного уширения 31. Это увеличивает декабряoherence и контроль поле поглощение, которое снижает эффективность накачки, упомянутых выше. Еще один способ уменьшить влияние поперечной диффузии является увеличить объем взаимодействия, расширяя его поперечные профили зонда и контрольных полей. Такой подход в конечном итоге будет ограничена неупругих столкновений с клеточных стенок. В этом случае клеточные стенки могут быть покрыты материалами антирелаксационным 32, 33, чтобы обеспечить упругих столкновений на стенках и, следовательно, повысить атомного времени когерентности. Путем минимизации неупругое стенка столкновения с помощью соответствующих покрытий стены и увеличение размера лазерного луча, чтобы покрыть почти поперечное сечение клеток, можно было бы ожидать минимальные эффекты от поперечной диффузии от времени хранения. Продольная диффузия может затем стать доминирующей явление декогеренции при длительных сроков хранения. Продольная диффузия вызывает атомы испытать свои сильные магнитное поле во время хранения, что может привести к снижению РЭПХЭффективность asing. Один из способов контролировать продольную диффузию было бы использовать холодный атомный ансамбль, например, атомов, которые были охлажденных в ловушку магнитооптических (MOT). Это, однако, требует целый новый слой экспериментальной сложности участвуют в контроле холодного атомного облака. Это система, которую мы в настоящее время оцениваем в нашей лаборатории 36.
Disclosures
Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.
Acknowledgments
Исследование при поддержке Центра Австралийский исследовательский совет передового опыта для квантовых вычислений и коммуникационных технологий, количество проект 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 |
References
- Knill, E., Laflamme, R., Milburn, G. J. A scheme for efficient quantum computation with linear optics. Nature. 409, 46-52 (2001).
- 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).
- Lvovsky, A. I., Sanders, B. C., Tittel, W. Optical quantum memory. Nat. Pho. 3, 76 (2009).
- Fleischhauer, M., Lukin, M. D. Dark-State Polaritons in Electromagnetically Induced Transparency. Phys. Rev. Let. 84, 5094 (2000).
- Afzelius, M., Simon, C., De Riedmatten, H., Gisin, N. Multi-Mode Quantum Memory based on Atomic Frequency Combs. Phys. Rev. A. 79, 052329 (2009).
- Clausen, C., et al. Quantum storage of photonic entanglement in a crystal. Nature. 469, 508 (2011).
- Saglamyurek, E., et al. Broadband waveguide quantum memory for entangled photons. Nature. 469, 512 (2011).
- 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).
- 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).
- Jensen, K., et al. Quantum memory for entangled continuous-variable states. Nature Physics. 7, 13 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Alexander, A., Longdell, J. J., Sellars, M., Manson, N. Photon echoes produced by switching electric fields. Phys. Rev. Let. 96, 043602 (2006).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hedges, M. P., Longdell, J. J., Li, Y., Sellars, M. J. Efficient quantum memory for light. Nature. 465, 1052-1056 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hosseini, M., Campbell, G., Sparkes, B. M., Lam, P. K., Buchler, B. C. Unconditional room-temperature quantum memory. Nat. Phys. 7, 794-798 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Sparkes, B. M., et al. Precision Spectral Manipulation: A Demonstration Using a Coherent Optical Memory. Phys. Rev. X. 2, 021011 (2012).
- 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).
- Erhard, M., Helm, H. Buffer-gas effects on dark resonances: Theory and experiment. Phys. Rev. A. 63, 043813 (2001).
- Balabas, M. V., et al. High quality anti-relaxation coating material for alkali atom vapor cells. Opt. Expr. 18, 5825-5830 (2010).
- 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).
- 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).
- Higginbottom, D. B. Spatial Multimode Storage in a Gradient Echo Memory [dissertation]. , Australian National University. (2012).
- Sparkes, B. M., et al. Gradient echo memory in an ultra-high optical depth cold atomic ensemble. arXiv. , (2012).
