Summary
Gradyan eko bellek atom toplulukları ışığın optik kuantum durumlarını saklamak için bir protokoldür. Kuantum bellek kuantum anahtar dağıtımı aralığını uzatabilirsiniz bir kuantum tekrarlayıcı önemli bir unsurdur. 3-seviyeli atom topluluğu uygulanan zaman biz şemasının çalışmasını özetlemektedir.
Abstract
Gradient eko bellek (GEM) atom toplulukları ışığın optik kuantum durumlarını saklamak için bir protokoldür. Böyle bir teknoloji için temel motivasyon şifreleme anahtarlarının güvenliğini garanti etmek Heisenberg belirsizlik kullanan kuantum anahtar dağıtımı (QKD), iletim mesafesi sınırlı olmasıdır. Bir kuantum tekrarlayıcı gelişimi QKD aralığını genişletmek için bir yoldur, ama bir tekrarlayıcı bir kuantum bellek gerekir. Deneylerimizde sıcak gaz hücresinde bulunan rubidyum 87 buharının bir gaz kullanılmaktadır. Bu program özellikle kolaylaştırır. Ayrıca bu frekans kayması ve bant genişliği manipülasyon gibi saklanan devletin bellek arıtma, sağlayan çok yönlü bir projedir. GEM protokolünün temeli, bir manyetik alan gradyanı içinde hazırlanmıştır atomlu bir topluluk içine ışık absorbe etmektir. Bu degrade ters atom kutuplaşma takvime bağlanması ve saklanan optik devletin böylece hatırlama yol açar. We biz atomları ve bu degrade hazırlamak nasıl anahat ve ayrıca optik kazanca sebebiyet verebilir, özellikle dört-dalga karıştırma, kaçınılması gereken tuzaklar bazı anlatacağız.
Introduction
Kuantum bilgi teknolojisi karşılaştığı önemli sorunlardan biri, kuantum devletler için bir bellek oluşturmak için yeteneğidir. Fotonik kuantum bilgisayar, 1 ya da bir kuantum anahtar dağıtım sisteminde 2'de kullanılan bir kuantum tekrarlayıcı için, bu ışık 3 kuantum hallerini saklayabileceğiniz bir bellek inşa etmek demektir. Bu amaç doğrultusunda alınan yaklaşımlardan birisi daha sonra kontrollü bir şekilde daha sonraki bir zamanda ışık serbest depolamak ve üzere olan bir şekilde kontrol edilebilir atomlu topluluklar kullanmaktır. Çok sayıda teknikleri elektromanyetik neden saydamlık (EIT) 4, atom frekans tarak (AFC) 5, 6, 7, dört dalga karışımı (FWM) 8, Raman absorpsiyon 9, Faraday etkileşim 10 ve foton eko tekniği 11, 12 dahil olmak üzere geliştirilmiştir , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
Bu çalışmanın odak noktası Λ bir - üç kullanarak çalışır Gradient Echo Bellek (Λ-GEM),-Level 'Λ' yapılandırılmış atom medya. Başlangıçta 2008 yılında 20 sıcak Rb buhar hücresinde uygulanmıştır. Bu şema hafif darbeler için bir rasgele erişim belleği, 21 olarak kullanılmıştır,% 87 22 gibi yüksek bir göstermiştir verimliliğe sahip kuantum 23 gürültüsüz depolama sağlar ve doğrusal olmayan optik işlemleri 24 için bir platform olarak bazı söz gösterir. Biz de son zamanlarda sıcak atom buharı 25 ile bu belleğin etkileşimi hakkında bazı ayrıntılı gider bir makale yayımlanmıştır.
Tekniğin özü, atomlar bir ışık darbe absorbe edecek ve böylece homojen bir biçimde genişletilir atomlu bir topluluk hazırlamak olmasıdır. Şekil 1a gösterildiği gibi bizim deneyde, Raman emilimini kullanın. Depolanacak olan prob ışığı, iki atomlu toprak durumlar arasında uyum üzerine eşlenir. Genişletilmesi, bir manyetik alan gradien uygulanarak sağlanmaktadıroptik yayılma yönü boyunca t, Şekil 1b'de gösterildiği gibi, Raman absorpsiyon frekanslarda bir uzamsal gradyanının uyarıcı. Depolanan darbesinin farklı frekans bileşenleri bu nedenle doğrusal atomik topluluk uzunluğu boyunca farklı mekansal konumlarda eşleştirilir. Diğer bir deyişle, giriş darbe emilimi tarafından oluşturulan sıkma dalganın atomik uzaysal profile giriş darbesinin zamansal profili Fourier dönüşüm ile orantılıdır. Daha sonra açıklayacağım gibi, aynı zamanda bu bellek ilginç spektral işleme yetenekleri bazı sağlayan bu frekans degrade olduğunu. Alan gradyanı tersine çevirerek, atomik topluluk tutarlılık evrim zaman ters olabilir. Bu, ışık palsının alınması için izin verir.
Protocol
1.. Bazı Ismarlama Öğeleri
Halka resonators
Bu deneyde, bölünmüş ve farklı frekanslarda ışınlarını kombine iki halka rezonatörler gerekmektedir. Boşluğun tasarım Şekil l'de gösterilmiştir. 2.- Dökme alüminyum bir oyulmuş silindir etrafında resonatöre oluşturun. Bir ucunda, aynı yansıtma ile iki düz ayna monte. Ucunu bir maksimum yansıtma kavisli ayna monte. Aynalar kavite aralama yapıştırılmış olması gerekmez. Spacer'ın dikkatli işleme ile, son kapaklar yerde tutmak için yeterlidir.
- Kavite rezonans frekansının kontrol sağlamak için bir O-ring ve piezoelektrik aktüatör ile kavisli ayna birleştirin. Aynanın arkasında piezo ile, ayna ve kavite ayırıcı arasındaki O-halkasını yerleştirin. Uç ayna hızlı harekete izin vermek için uç-kapak ile kavite ara parçasının bu elemanları sıkıştırın. O-ring kompresyon kombinasyonuve yüksek hızlı piezo tipik olarak 10 kHz fazla bant genişliği kontrolü için izin verir.
Not: Bu örnek için, aralama yaklaşık 25 cm uzunluğundadır. Kontrol ve prob hafif aşırı ince bölme serbest spektral aralığının bir birden fazla olmamalıdır, yani coresonant değildir ki bu seçilmelidir, ancak bu uzunluk, keyfidir. Nedeniyle halka geometri, kavite farklı incelik Nondejenere polarizasyon modları olacak. Özel kaplamalı aynalar p-polarize ışık için yaklaşık 100 bir incelik neden s-polarize ışık için 1000 civarında incelik bir boşluk sağlamak için belirtilir. Bu deneyler genellikle düşük incelik modu üzerinde yapılan ise kirişlerin güçlü filtreleme gerekli olmalıdır, kurulumu kolay, yüksek incelik moduna olabilir.
- Bellek ve konut hücre tasarımı
- Bellek cihazı kurmak, isotopically gelişmiş 87 Rb al içeren uzun bir hücreyi kullanmakKr tampon gazı 0.5 Torr ile Ong. Kurulumunda, uzunluğu 20 cm dir. Hücrenin pencere yansıma önleyici kaplı bulunmaktadır. Bu hücre, manyetik olmayan bir ısıtma teli ile yaklaşık 80 ° C'ye ısıtılmalıdır.
- Üç eş solenoid hücre örten. İki iç solenoidleri manyetik alan geçişlerini oluşturun. Bu solenoitleri rüzgar, Biot-Savart eşitliğini kullanarak bir simülasyon gerçekleştirmek. Bir doğrusal değişen manyetik alan sağlayacak değişken-pitch solenoidi benzetin.
- Bir grafik programını kullanarak, bir kağıt parçası üzerine bu spiralin bir arsa çıktı. Boru üzerine teli takip ve rüzgar bir çizgi sağlamak için PVC boru etrafına kağıdı sarın.
Not: Bu kurulumda bobinler, kenar etkileri önlemek için, gaz hücresi ve iki katı uzunlukta, 50 cm uzunluğundadır. Çaplar, manyetik alanlar çok uzunlamasına sağlamak için iki hücrenin çapı 6 cm ve 10, vardır. Degrade solenoidler böylece tha birbirlerine karşıaralarında t anahtarlama (Şekil. 3 bakınız) degrade işareti geçecektir. Tipik bir deneyde, mevcut 2-3 A bu bobinler üzerinden çalıştırılan ve bobinler 3-4 mikro-saniye olarak anahtarlanır.
- Anahtarlama zaman optimize etmek ve durdurmak için salınımlar bobinler seri olarak 200 Ω sönümleme dirençleri kullanın. Zeeman seviyelerinin dejenere kaldırmak için bir DC manyetik alan sağlamak için kullanılır, üçüncü normal olarak sarılmış bobin içindeki bu iki solenoid yerleştirin. Rubidyum manyetik alan 26, yaklaşık 1.4 MHz / G içinde bir kayma vardır. Geçişlerini 2 G / m olacağını ise tipik bir DC sahası, 6 G.
- Deney üzerinde Dünya'nın manyetik alanının etkisini azaltmak için üç manyetik bobinler çevresinde μ-metal kaplama iki kat yerleştirin.
2. Optik Işın Yolun Düzeni
- 795 nm rubidyum D 1 çizgisine yakın ayarlanmış bir tek modlu lazer kullanın. Frekansını MonitörŞekil 3'te gösterildiği gibi, doymuş bir absorpsiyon ölçümü kullanılarak lazer. = 2 geçiş F = 2 F 'üzerinde yaklaşık 1.5 GHz frekansı detuneye. Bu, kontrol ışınının yaklaşık frekansı olacaktır.
- Zayiflatıcı BS2 de, kontrol ışınını oluşturmak için ana lazer kapalı bazı ışık dokunun. Acousto-optik modülatör AOM1 kullanarak sıklığını Shift. Bu, aynı zamanda, kontrol AOM ışın gücünün modüle edilmesine izin verir. , AOM sürücü bir TTL sinyali tarafından kontrol edilen bir RF şalteri üzerinden bir sinyal kaynağının çıkışını geçer ve daha sonra AOM içine göndermeden önce sinyalini çoğaltmak için. Bu AOM tahrik frekansını değiştirerek, örneğin Raman emilimini optimize etmek için ince ayar kontrol sıklığı,. Kurulumunda AOMs ait RF sürücü frekansı 80 MHz, ama bu keyfidir.
- Kontrol ışından 6.8 GHz, bu frekans aşırı ince öğütülmüş devlet yarma kalarak, kuantum hafızada saklanır sonda kiriş, detuneyeRb 87. Bu frekans hazırlamak için, 6.8 GHz mikrodalga kaynağı ile yönlendirilen bir fiber-bağlanmış elektro-optik bir modülatör üzerinden lazer geçmektedir. Bu taşıyıcı frekansı üstünde ve altında 6.8 GHz harmonikte yan bandın, bir dizi oluşturur.
- Saf bir frekans ile bir sonda kiriş elde etmek için, 6 ayrı. 8 GHz ışık tüm diğer istenmeyen modülasyon yan bandın. Bunu yapmak için, halka boşlukların birini kullanabilirsiniz. 6. 8 GHz sideband ile rezonans GÜLDAŞ 1 kilitleyin. Diğer tüm frekanslar yansıtılmaktadır ise bu frekans sonra bu şekilde rubidyum atomlarının F = 1 zemin durumunu ele alacak saf frekans hazırlamak, rezonatörün üzerinden aktarılır. Kavite giriş aynadan yansıyan ışık kullanılarak,] Pound-Drever-Hall tekniği kullanılarak 27 kilitlenmiş olabilir.
- BS3 de lazer ışınının bir kısmının devre dışı dokunun ve ince frekans kontrol ve prob ışınının yoğunluğunu sağlamak için AOM2 yoluyla göndermek. OradaAOM götürmek için mevcut yöntemlerden bir çift vardır. Örneğin, 80 MHz'de modüle Gauss darbeleri üretmek için ayarlanmış bir programlanabilir sinyal jeneratörü kullanımı. Alternatif olarak, 80 MHz'de modüle bir darbe vermek için bir RF mikser bir darbe ile sürekli bir 80 MHz sinyal birleştirir. Her iki şekilde de, bu modüle Gauss sonra yükseltilir ve AOM bir kırınan düzenine ışık bir darbe vermek için AOM içine gönderilir.
Not: Bu kırınıma düzen bellekte saklanabilir ışık ince kontrol darbeleri sağlayacaktır. Darbelerin genlik AOM tahrik gücü bir arada kullanarak ve BS1 bir bölme oranını değiştirerek ayarlanmış olabilir. Bu darbe amplitüdlerinin geniş bir güvenilir üretimine olanak sağlar, ve özellikle de ortalama foton sayıları 1'den az 23, çok zayıf darbelerinin üretimine olanak tanır. - Bir sonraki aşama prob ve kontrol kirişler birleştireceğimi olduğunu. Bu basit bir ışık bölücü ile yapılabilir, ama bu ışığın bir kısmını kaybetme anlamına gelecektir.Prob ve kontrol ortogonal polarizasyon olsaydı, o zaman yeniden birleştirme kayıpsız bir polarize edici ışın ayırıcı kullanarak elde edilebilir, ancak depolama tek gerçek kontrol probu ve polarizasyondan bağımsız olarak kumanda ile optimize edilebilir.
- Bunu başarmak için, bir ikinci, yüksek verimli, empedans, halka boşluğu kullanın. Kontrol alanı çıkış ayna yansıyan sırasında sonda kiriş aracılığıyla iletilir ve böylece bir kavite ayarlayın. Bu ikinci rezonatör yoluyla prob aktarımı da dört dalga karıştırma sorun bilmek yardımcı frekans filtre ikinci bir katman sağlar.
- Boşluğun geri moduna enjekte edilir bir yardımcı kilitleme demeti (kesikli çizgi) ile sonda kiriş frekansına bu boşluğu kilitler. Sonda kiriş farklı bir frekans, polarizasyon ve mekansal moduna ayarlayın bu ışın olumsuz sonda kiriş etkilemeden yansıması tespit edilebilir, böylece. Bu çabanın nedeni oboşluğu kilitlemek için düşük güç, darbeli sonda ışını kullanmayı fiendishly zordur. Kontrol ve prob kirişler, sırasıyla, 7 mm ve 3 mm boyutları bellek hücresinin önce collimated edilir.
- Bellek hücresine önce kontrol alanı gücü ~ 270 mW ve soruşturma güç deney kaçak bağlı olarak birkaç mikrowatt sıfırdan seçilebilir. Bir çeyrek dalga plakası kullanarak, (yaklaşık olarak) dairesel ve aynı helisite olması birleşik prob ve kontrol kirişlerin polarizasyon ayarlayın. Bellek gaz hücresi cihazının içine enjekte edilir.
- LabVIEW programı 28 kullanarak deney tüm unsurların zamanlamasını kontrol. Tipik bir görev döngüsü 120 mikro-saniye olacaktır. Bellek işlemi karışmalarını önlemek için bellek depolama süresince ısıtıcıyı kapatınız. Tipik bir zamanlama sekansı, Şekil 4'te gösterilmiştir. Mümkün olduğunda ışık hafızaya kaydedilir ise, kontrol ışın kapatın. Sıcak bir gaz hücresine, her ne kadar the Raman geçiş Doppler genişliğinin ötesinde uyarılmış durumdan güçsüz olduğu, kontrol alanı nedeniyle hala spontan Raman saçılması sıfır olmayan olasılık bellekte dekoherans önemli bir kaynak olabilir. Raman saçılması kontrol alanı iktidara doğrudan orantılıdır ve ters detuning için kare. Kontrol alanı tüm depolama süresi boyunca muhafaza edilmektedir, bu iki alt ülkeleri ile etkileşim ve saçılma ile tanımlanan üstel hızı ile uyum yok edebilir. Bu tartışma bölümde daha da açıklanmıştır.
- Saklama ve geri çağırma sonra, kirişin ikinci kontrol alanı şerit için bir filtre hücre yoluyla prob geçmektedir. Bu Rb doğal bir karışımı ile bir hücre kullanmak mümkündür. 85 Rb bastırılması 60 dB sağlayan, kontrol kiriş frekansta şiddetle hakimdir ve emer. Sonda kiriş tipik haliyle 1.4 dB, çok daha az zayıflatılmaktadır. 140 ° C'ye kadar ısıtıldı, uzun bir hücre 75 mm, kullanınIzotopik olarak gelişmiş 85 Rb ile bir hücre az prob emilmesine neden olacaktır.
- Son adım, bir homodin ya da heterodin algılama kullanılarak, prob darbelerinin saptanmasıdır. Bu tespit yönteminin avantajı, çok bir miktar artık kontrol lambası ölçümleri üzerinde etkisi olmaz seçici şekli olmasıdır. Yankı half-wave/quarter-wave plaka kombinasyonu kullanılarak doğrusal yapılan bir (yakın) dairesel polarizasyon vardır.
- , Lokal osilatörünü üretmek BS4 de çubuğun bir kısmını dokunup AOM4 kullanarak frekans kayması için. Hızlı bir osiloskop kullanarak Homodin ya da hetorodin kurulumdan sinyali saklayın, LabVIEW kontrol programına tetikledi.
Representative Results
1.. Tanı Aracı olarak Raman Absorpsiyon kullanma
Elde etmek için ilk sonuç prob ışın, ışık Raman çizgi emme olduğunu. Bu emme özelliğinden optimizasyonu iyi bellek performansı ulaşma yolunda uzun bir yol gidiyor. Manyetik gradyan bobinler kapalıyken kontrol sıklığı zayıf sürekli sonda dalga varlığında taranabilir. Prob ışınının doğrudan atomik emme hücresinin optik yoğunluk ile ilgilidir. Buna dayanarak, kontrol kirişin hücre, güç ve tek foton detuning sıcaklığı, mümkün olan en iyi Raman emilmesini sağlamak için yinelemeli bir süreci ile optimize edilebilir. Çok fazla kontrol-ışını güç emilimini artırmak değil, aynı zamanda çizgi genişliğini genişletecektir. Optimum zaman, genişlik sistemimizde 100 kHz düzeyindedir.
Degrade bobinler birinin açılması Raman hattı genişletmek olacaktır. Genişleyerek emilim genişliği caydırmakmayın bellek bant genişliği. Bir uzlaşma sonra optik bellek verimliliğini etkileyen yoğunluğu, ve bellek bant genişliği arasındaki yapılmalıdır. Sonda iletim bellek bant genişliği, yaklaşık 1 MHz ayarlanır Şekil 5, bizim genişlemiş Raman hatları biri için gösterilmiştir.
Aynı anda hem manyetik gradyan rulo açma, nonbroadened emme çizgi kalınlığı geri alınmalıdır. Geçerli büyüklüğü veya manyetik alanların inhomojenite herhangi bir uyumsuzluk Raman emilimi genişletilmesi ve bozulma doğrudan yansıyacaktır.
2. Darbe Depolama
Bellek için basit yapılandırma tek darbe depolama ve geri çağırma olduğunu. Şekil 6'da gösterildiği gibi bu, süresi 2 mikro saniye palslarının depolama ve manyetik gradyan bobinleri darbe tepe sonra 3 mikro-saniye geçiş, örneğin, olabilir. Optik yoğunluk düşükse, bazı hafif leakage ortamın optik yoğunluk (OD) bağlı olarak gözlenecektir. Dikkatle bellek parametrelerini ayarlama yüksek verimlilik depolama elde etmek için esastır. Bu bellek, hücre sıcaklığının optimizasyonu kapsamaktadır, prob ve kontrol alanı arasındaki dikkat hizalama, kirişlerin doğru polarizasyon sağlanması, emme ve saçılma arasında en iyi uyumu bulmak için kontrol ışının şiddetini ayarlama ve frekanslarını ayar prob ve kontrol kirişler. Bu optimizasyon yöntemi, bundan başka, tartışma bölümünde açıklanmıştır. Tüm bu parametreler iyi ayarlanmış olduğunda 4 mikro-saniye 22 bir depolama süresi için% 80 aşan verimlilik beklenebilir. Depolama verimliliği hatırlanan yankı enerji ve hafızaya kaydedilir edilmemiştir özdeş bir darbenin enerji arasındaki oran olarak tanımlanır. Bu etkili nedeniyle yüzeyler veya absorpt üzerinde Fresnel yansımaları örneğin doğrusal kayıpların etkisi, dışarı faktörlerifiltreleme hücresine iyon. Heterodin algılama kullanırken, darbelerin enerji heterodin sinyali kare alma ve palsının zarfların alanları ölçülmesi ile ölçülür.
Alınan darbe sıklığı ve bant genişliği gradyan bobinler enjekte akımına bağlıdır. Bu akımların basit manipülasyon alınan darbenin ince ayar sağlar. (Örneğin, 29 de tarif edilenler gibi) daha karmaşık spektral manipülasyonlar bellek boyunca gradyan bağımsız bir şekilde, konum ve zamanın bir fonksiyonu olarak ayarlanmış olabilir, daha gelişmiş bir bobin düzeneği kullanılarak yapılabilir.
Şekil 1. a) bellekte kullanılan 87 Rb D 1 hattı içinde seviye şeması. Sonda ışık Raman bir tutarlılık bahis oluşturmak için emilir = 1 F ve F = 2 zemin-devletleri arasında bir aracıdır. b) manyetik alan gradyan hücrenin uzunluğu boyunca toprak-devletlerin mekansal bağımlı detuning verir. Degrade Reversing ve üzerinde kontrol ışınını dönüm saklanan prob ışık hatırlama verir. ([34] 'den uyarlanmıştır). resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Şekil 2. Optik modu temizleyici şematik. Açıklaması için Yöntemler bölümünde bakın. resmi büyütmek için buraya tıklayın .
ig3.jpg "width =" 500px "/>
Şekil 3,. Deney düzeneği şematik AOM = Acousto-Optik Modülatör;. EOM = Elektro-Optik Modülatör; BS = zayiflatıcı; λ / 4 = Çeyrek dalga plakası. resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Şekil 4. Bellek için tipik bir zamanlama dizisi. (35 Taken). resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Şekil 5,. Tipik heterodinlenir Raman hattını genişletmiştir zaman inci biriE manyetik gradyan bobinler açık. veriler (ince düz çizgi) heterodyne ölçümü kullanılarak alınır. Salınım prob ışık ve yerel osilatör ışık arasındaki yendi kaynaklanmaktadır. Kesik eğri genişletmiştir Raman çizgisinin şekli bu verilerin zarfı göstermektedir. (25 ila Modifiye). resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Şekil 6,. Kısa depolama zamanı için tipik ortalama verimliliği GEM yankı. Manyetik gradyan rulolar t anahtarlamalı = 10 mikro-saniye (kesikli çizgi). Kırmızı: giriş darbe yoğunluğu profili. Mavi: bellek yoğunluğu çıkış, ışık sızan olmadıgbını gösteren (kırmızı giriş darbesinin altında belirgin olan) ve t sağında görünen, yankı hatırlattıdiye kesik çizgi. resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Şekil 7. Dört dalga çeşitli kontrol alan güçler ve hücre sıcaklıkları için, Raman çizgi tararken, karıştırma etkisi. Onlar etkisini en üst düzeye çıkarmak, böylece bu rakam sadece, denetim alanının ve prob kirişlerin kutuplaşmalar seçildi için. Pc kontrol ışın gücüdür. (25 ila Modifiye). resmi büyütmek için buraya tıklayın .
Discussion
Yüksek bellek verimlilik için gerekli bir koşul, bir yüksek OD [30]. Λ-GEM OD Ω_c birleştirme alanı Rabi frekansı ve Δ uyarılmış durum arasındaki Raman detuning olan Raman faktör Ω_c 2 / Δ 2, orantılıdır. Spontan Raman saçılma oranı da Raman faktörü ile orantılıdır ve bu nedenle orada bir trade-off yüksek emme ve düşük saçılma kayıpları elde arasında. Biz tekrarlanan bir süreç kullanmak kontrol alanı güç, detuning ve gaz sıcaklığı için en uygun ayarları bulmak için. Puls tamamen emilir sonra saçılma kayıpları, depolama sırasında kontrol ışın kapatarak bir ölçüde hafifletilebilir. Optik derinliği de atomlarının iç durumu etkilenir. İdeal olarak, sondanın emilimini artırmak için F = 1 aşırı ince seviyesi mümkün olduğu kadar çok atomuna sahip istiyorum. Bu kadar = 2 F atomları pompa görür gibi kontrol kiriş de burada rol oynarF 1 = düzeylerini. Bu, detuning için çok verimli değildir, ancak kontrol ışın güçlü ve darbe depolama deneyler arasında uzun süreler boyunca üzerinde bırakılabilir. Bizim deneyde Raman hattının genişliği daha çok kontrol alanı ile neden olunan enerji genişletilmesi bir sonucudur 100 kHz, civarındadır. Bu, hemen hemen atomu F = 1 aşırı ince durumuna = 2 F pompalandığı de hızına karşılık gelir. Ancak bazı nüfus nedeniyle izin optik geçişler eksikliği = 2 hiperfin seviyesi F (dairesel polarizasyon işareti bağlı veya -2) MF = 2 sol olacaktır.
OD da gaz fazında atomu sayısını belirler hücrenin, sıcaklık kuvvetle bağlıdır. Bu hücrenin merkezinde ölçülen yaklaşık 78 ° C'lik bir sıcaklığa, kullanın. Biz hücrede, kontrol alanının bir emme yanı sıra Th bazı tutarsız emme neden olabilir, 85 ° C'de ötesinde artan sıcaklık farke prob sinyali. Isıtıcı hücre içindeki manyetik alan rahatsız etmemek için deney işlemi esnasında kapatılır.
Her iki prob ve kontrol alanları polarizasyonları da belleğin emme veriminde önemli bir rol oynamaktadır. 87Rb D1 geçiş hattı 8 Zeeman sublevels toplam iki aşırı ince heyecanlı durumu vardır. Prensip olarak, prob ve kontrol alanları hem de aynı dairesel polarizasyonlarının seçimi sadece = 2 uyarılmış durum seviyesi MF (ya da-2), K '= 2 ile etkileşim sağlar. Lazer alanların doğrusal ya da eliptik polarizasyonlar = 1 F diğer Zeeman sublevels ', 2 ile Raman bağlantı oluştururlar. Bu durum, farklı birleştirme sabitleri ve çeşitli geçişler ac Stark değişmelerine, Raman hat şeklindeki genişletilmesi ve asimetri neden olur. Ne yazık ki, anısı önünde hazırlanan aynı dairesel polarize prob ve kontrol alanları, farklı polarizasyon kendini r yaşayabilirsinizotations onlar bellek yoluyla yaymak gibi. Bu etki daha bizim deneyde sahip yüksek OD medya, telaffuz edilir. Bu sonda kiriş ve kontrol polarizasyon ince ayar kendini dönme etkisini ortadan kaldırmak için gerekli olduğu anlamına gelir.
Büyük OD 25 ile çalışırken daha da karmaşıklaştıran, bir dejenere dört dalga karışımı (FWM) işlem bazen görülebilir. Bu amplifikasyon neden olur ve sonuç olarak belleğin çıkış durumuna paraziti üretebilir. Doğrusal polarizasyon kontrol ve hem de sonda kiriş için kullanıldığı zaman, özellikle de, FWM etkisi büyük ölçüde, birden çok uyarılmış yoluyla Raman uyarım geliştirilebilir. FWM işlemi daha fazla veya sisteminde bastırılır ya da altında koşullar Ref 25 'de özetlenmiştir. FWM etkisi ile, yine, prob ve kontrol kirişlerin kutuplaşma ince ayar hafifletilebilir. Bu şekilde, FWM işlemler yapmaları noktaya düşürülebilirhatırladı ışık 23'e gürültü eklemeyin. FWM ile ilgili olarak, hem boşluklar aksi FWM sürecini tohum olur Fiber-EOM tarafından oluşturulan -6.8 GHz yan bandı bastırılmasında önemli bir rol oynadığı fazlalaştı.
Kendi kendine rotasyon ve FWM ikisi de genişletilmiştir Raman hattının şeklini etkiler. Şekil 5'te gösterildiği gibi, ince ayar sonra, bir oldukça simetrik, kabaca dikdörtgen şekilli emme özelliği elde edilebilir. Bu polarizasyonlar FWM etkisini göstermek için seçilen, Şekil 7'de gösterilen durumda ile tezat teşkil etmektedir. İşte Raman özellik son derece asimetrik olduğunu.
Daha önce belirtildiği gibi, doğal bir bolluk Rb hücre kontrol ışın filtre ve algılama bölümüne sonda kiriş geçmek için kullanılmıştır. Bu nedenle hücrenin, yüksek sıcaklığa, biz hücre pencerelerin etrafındaki hava akımları yeniden heterodyne algılama saçak görünürlüğünü varyasyonu neden farkSinyalin dalgalanmalar danışmanlık. Bu etki hemen filtreleme hücreden sonra heterodyne algılama uygulanması ve uygun fırın tasarımı kullanılarak hücre pencereleri etrafında hava akımlarını azaltarak minimize edilmiştir. Biz nedeniyle pencerelerden Fresnel yansımaları ve filtreleme hücresine 87 Rb atomu ile emme için, filtre hücre yoluyla% 30 civarında bir sonda kaybı gözlendi. Bu kayıp, potansiyel hücre pencerelerde yansıma önleyici kaplamalar kullanılarak ve saf 85 Rb yerine Rb doğal bir karışımı kullanılarak azaltılabilir.
Sıcak buhar hücresinde, difüzyon depolama süresi için ana sınırlamaları biridir. Işık emici sonra, atomlar böylece kısmen depolanan bilgileri silme, tutarlı bölge dışına yayılabilir. (Bizim deneyde 0.5 Torr Kr,) bir tampon gaz ekleyerek bir ölçüde difüzyon etkisini azaltır. Çok fazla tampon gaz, ancak, 31 Genişletici çarpışma artacaktır. Bu Aralık artırıryukarıda bahsedilen pompalama verimliliğini azaltır oherence ve kumanda alanı emme. Enine difüzyonu etkisini azaltmak için başka bir yol, prob ve kontrol alanları enine profilleri genişleterek etkileşim hacminin artırılmasıdır. Bu yaklaşım, sonuçta hücre duvarları ile esnek olmayan çarpışma ile sınırlı olacaktır. Bu durumda, hücre duvarları duvarlarda elastik çarpışmalar sağlar ve bu nedenle, atom uygunluk süresini uzatmak için, antirelaxation malzeme 32, 33 ile kaplanabilir. Uygun duvar kaplamalar kullanılarak ve hemen hemen hücre kesite karşılamak için, lazer ışını boyutunu artırmak elastik olmayan duvar çarpışma en aza indirerek, bir depolama zamanında enine difüzyon minimal etki beklenebilir. Boyuna difüzyon sonra uzun depolama sürelerinde baskın veeşevresizlik etkisi hale gelebilir. Uzunlamasına difüzyon atomları azaltılmış reph neden olabilir depolama süresi boyunca farklı manyetik alan güçlerine yaşamaya neden olurasing verimlilik. Uzunlamasına difüzyon kontrolü için bir yolu, örneğin, bir manyeto-optik Trap (Muayene) içinde soğutuldu edilmiş atomu gibi soğuk bir atomik topluluk, kullanmak olacaktır. Ancak bu durum, soğuk atom bulut kontrolünde yer alan deney karmaşıklık yepyeni bir katı daha gerektirir. Bu, şu anda laboratuvarda 36 değerlendiren bir sistemdir.
Disclosures
Yazarlar, hiçbir rakip mali çıkarlarını olmadığını beyan ederim.
Acknowledgments
Araştırma Kuantum Hesaplama Mükemmellik Avustralya Araştırma Konseyi Merkezi ve İletişim Teknolojileri, proje numarası CE110001027 tarafından desteklenmektedir.
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).
