Stigningen ekko minne er en protokoll for lagring av optiske kvantetilstander av lys i atom ensembler. Quantum minne er et viktig element i en kvante repeater, som kan utvide rekkevidden av quantum nøkkeldistribusjon. Vi skissere driften av ordningen når implementert i en tre-nivå atom ensemble.
Gradient ekko minne (GEM) er en protokoll for lagring av optiske kvantetilstander av lys i atom ensembler. Den primære motivasjonen for en slik teknologi er at Quantum Key Distribution (QKD), som bruker Heisenberg usikkerhet for å garantere sikkerheten til kryptografiske nøkler, er begrenset i overføring avstand. Utviklingen av et kvantesprang repeater er en mulig vei å utvide QKD rekkevidde, men en repeater trenger et kvantesprang minne. I våre forsøk bruker vi en gass av rubidium 87 damp som er inneholdt i en varm gass-celle. Dette gjør ordningen særlig enkel. Det er også en meget allsidig ordning som gjør det mulig i minnet avgrensning av den lagrede tilstand, slik som frekvensforskyvning og båndbredde manipulasjon. Til grunn av GEM-protokollen er å absorbere lys i et ensemble av atomer som er blitt fremstilt i et magnetisk felt-gradient. Reversering av denne gradienten fører til rephasing av atom polarisering og dermed tilbakekalling av den lagrede optiske tilstand. We vil skissere hvordan vi forbereder atomene og dette gradient og også beskrive noen av de fallgruvene som må unngås, spesielt fire-bølge miksing, som kan gi opphav til optiske gevinst.
En av de utestående utfordringer quantum informasjonsteknologi er evnen til å bygge et minne for kvantetilstander. For fotoniske quantum computing en, eller et kvantesprang repeater brukes i et kvantesprang nøkkeldistribusjon system 2, betyr dette å bygge et minne som kan lagre kvantetilstander av lys tre. En av fremgangsmåtene som er tatt mot dette målet er å bruke ensemble av atomer som kan kontrolleres på en slik måte som for å lagre og deretter styrbart frigjør lys på et eller annet senere tidspunkt. Mange teknikker har blitt utviklet, inkludert elektromagnetisk indusert transparens (EIT) 4, atomfrekvens kammen (AFC) 5, 6, 7, fire-bølgeblanding (FWM) 8, Raman absorpsjon 9, Faraday interaksjon 10 og fotonekkoteknikk, 11, 12 , 13, 14, 13, 15, 16, 17, 18, 19.
Fokuset i denne artikkelen er Λ – Gradient Echo Minne (Λ-GEM), som fungerer ved hjelp av tre-Nivå 'Λ' strukturerte atom medier. Det ble opprinnelig innført i en varm Rb damp celle i 2008 20. Denne ordning har blitt brukt som en random access minne for lyspulser, 21, har demonstrert effektivitet så høy som 87% 22, gir lydløs lagring av kvante-tilstander 23 og viser noen lovende som en plattform for ikke-lineære optiske operasjoner 24. Vi har også nylig publisert en artikkel som går inn i noen detaljer om samspillet av dette minnet med varm atom damp 25.
Det vesentlige ved teknikken er at vi forbereder et ensemble av atomer som er inhomogeneously utvidet, slik at atomene vil absorbere en lyspuls. I vårt eksperiment benytter vi Raman absorpsjon, slik som vist i figur 1a. Sonden lys, som skal lagres, vil kartlegges på koherensen mellom to grunntilstander av atomene. Denne utvidelse er gitt ved å påføre et magnetisk felt gradient langs retningen av optisk spredning, indusere en romlig gradient i Raman absorpsjon frekvenser, slik det er vist i figur 1b. De forskjellige frekvenskomponenter i den lagrede puls er således tilordnet forskjellige romlige steder lineært langs lengden av den atomære ensemble. Med andre ord, er den romlige profilen til den atom spin bølgen som genereres ved absorpsjon av inngangspuls proporsjonal med Fourier-transformasjon av de tidsmessige profil av inngangspulsen. Som vi vil skissere senere, er det denne frekvensen gradient som også gjør noen av de interessante spektrale databehandling i dette minnet. Ved å snu feltet gradient, kan utviklingen av sammenhengen i atom ensemble være tidsreversert. Dette gir mulighet for henting av puls av lys.
En nødvendig forutsetning for høy minne effektivitet er en høy OD [30]. OD av Λ-GEM er proporsjonal med Raman faktor Ω_c 2 / Δ 2, der Ω_c er koblingsfeltet Rabi frekvens og Δ er Raman detuning fra den eksiterte tilstand. Den spontane Raman spredning rate er også proporsjonal med Raman faktor, og det er derfor en avveining mellom å oppnå høy absorpsjon og lav spredning tap. For å finne de optimale innstillingene for kontrollfeltet makt, detuning og gasstemperaturen vi bruker en iterativ prosess. Spredningen tapene kan reduseres til en viss grad ved å slå av kontroll strålen under lagring, etter at pulsen er fullt absorbert. Optisk dybde er også påvirket av den interne tilstanden til atomene. Ideelt sett ønsker vi å ha så mange atomer som mulig i F = en hyperfine nivå for å øke opptaket av sonden. Styre strålen spiller også en rolle her som det virker til å pumpe atomer fra F = 2 tilF = 1 nivåer. Dette er ikke meget effektivt, på grunn av detuning, men styrebjelke er kraftig og kan stå på i lengre tid mellom pulslagringsforsøk. Bredden på Raman linje i vårt eksperiment er rundt 100 kHz, som er stort sett et resultat av strøm utvidelse forårsaket av kontrollfeltet. Dette svarer nesten til den hastigheten som atomene er pumpet fra F = 2 til F = 1 hyperfine tilstand. Imidlertid vil det være en viss populasjon igjen på mf = 2 (eller -2, avhengig av fortegnet av den sirkulære polarisering) av hyperfine nivå F = 2 på grunn av mangel på tillatte optiske overganger.
OD vil også avhenge sterkt av temperaturen av cellen, som bestemmer antallet atomer i gassfase. Vi benytter en temperatur på rundt 78 ° C, målt i sentrum av cellen. Vi la merke til at i vår cellen, øker temperaturen ut over 85 ° C kan resultere i noen absorpsjon av kontrollfeltet samt noen usammenhengende absorpsjon av the probe signal. Ovnen slås av i løpet av forsøkskjøring for å unngå å forstyrre det magnetiske felt inne i cellen.
Polarisasjonene av både probe og kontrollfelt også spille en avgjørende rolle i absorpsjonseffektiviteten av minnet. D1 overgang linje av 87Rb har to hyperfine eksiterte tilstander med totalt 8 Zeeman undernivåer. I prinsippet sikrer valget av identiske sirkulære polarisasjoner for både sonden og styre-felt at de bare ha kontakt med den eksiterte tilstand nivå mf = 2 (eller -2), F '= 2. Den lineære eller elliptiske polarisasjonene av laserfelt gi opphav til Raman kopling via andre Zeeman undernivåer av F '= 1, 2. Dette vil resultere i utvidelse og asymmetri i Raman linjeformen, på grunn av de forskjellige koblings konstanter og ac Stark skift av de forskjellige overganger. Dessverre, kan identisk sirkulære polarisert probe og kontrollfelt forberedt før minnet oppleve forskjellig polarisering selv rotations som de forplanter seg gjennom minnet. Denne effekten er mer uttalt i høye OD media, som vi har i vårt eksperiment. Dette betyr at finjustering av sonde-og kontrollstråle polarisering er nødvendig for å motvirke virkningen av selvrotasjon.
For ytterligere å komplisere saken, kan en degenerert fire-bølge miksing (FWM) prosessen noen ganger bli sett når du arbeider med store OD 25. Dette kan føre til forsterkning og følgelig innføre støy i utgangstilstanden minnet. Spesielt når det lineære polarisering brukes for både kontroll-og probe-bjelker, i FWM effekten kan bli betydelig forbedret på grunn av den Raman magnetisering gjennom flere eksiterte tilstander. De forholdene som FWM prosessen er enten forsterkes eller dempes i systemet vårt er oppsummert i Ref 25. Virkningen av FWM kan reduseres ved, igjen, finjustere polarisering av sonden og kontroll bjelker. På denne måte kan FWM prosesser reduseres til det punkt at de gjørikke legge til støy i det tilbakekalte lys 23. Med hensyn til FWM, er det verdt å merke seg at både hulrommene spiller en viktig rolle i å undertrykke -6,8 GHz sidebånd generert av den fiber-EOM som ellers ville seede i FWM prosessen.
Både egenrotasjon og FWM påvirker formen på det utvidede Raman linje. Etter finjustering, kan man oppnå en helt symmetrisk, tilnærmet rektangulær formet absorpsjon funksjon, som vist i figur 5.. Dette står i kontrast til den situasjon som er vist på figur 7, hvor polarisasjoner ble valgt for å demonstrere virkningen av FWM. Her Raman funksjonen er svært asymmetrisk.
Som nevnt tidligere, er en naturlig overflod Rb celle som brukes til å filtrere kontrollstråle og passerer sonden strålen til deteksjons delen. På grunn av den høye temperaturen i denne celle, oppdaget vi at luftstrømmer rundt cellevinduer forårsake variasjon i frynse synligheten av den heterodyne deteksjon, reskriver seg i svingninger av signalet. Denne effekten har blitt minimalisert ved å implementere den heterodyne deteksjon umiddelbart etter filtrering cellen og reduserer luftstrømmer rundt cellevinduer ved hjelp av egnet ovn utforming. Vi observerte en sonde tap på ca 30% gjennom filtreringscellen, på grunn av Fresnel-refleksjoner fra vinduene og til absorpsjon av 87 Rb atomer i filtreringscellen. Dette tapet kan potensielt bli redusert ved å bruke antireflection belegg på cellevinduer og ved hjelp av ren 85 Rb stedet for en naturlig blanding av Rb.
I en varm damp celle, er diffusjon av en av de største begrensninger i lagringstiden. Etter å absorbere lys, kan atomer diffundere ut av den sammenhengende område, og dermed delvis sletting av den lagrede informasjon. Legge et buffergass (0,5 Torr Kr, i vårt eksperiment) reduserer effekten av diffusjon i en viss grad. For mye buffer gass, men dette vil øke collisional utvidelse 31.. Dette øker desemberoherence og kontrollfeltet absorpsjon, noe som reduserer effektiviteten av pumpe nevnt ovenfor. En annen måte å redusere virkningen av tverrgående diffusjon er å øke volumet av samspillet ved å forstørre de tverrgående profiler av sonde-og kontrollfelt. Denne tilnærmingen vil etter hvert bli begrenset av uelastisk kollisjoner med celleveggene. I dette tilfellet kan celleveggene være belagt med antirelaxation materialer 32, 33, for å gi elastiske kollisjoner på veggene, og dermed forbedre den atomære koherenstiden. Ved å minimere den uelastisk veggen kollisjon ved hjelp av riktig vegg belegg og øke størrelsen laserstrålen til nesten dekke cellen tverrsnitt, vil man forvente minimale effekter fra den tverrgående diffusjon på lagringstiden. Langsgående diffusjon kan da bli den dominerende decoherence effekt ved lange lagringstider. Langsgående spredning fører til at atomene til å oppleve ulike magnetiske feltstyrker i løpet av lagringstiden som kan resultere i redusert rephasing effektivitet. En måte til å styre lengde diffusjon vil være å benytte en kald atom ensemble, som atomer som har blitt avkjølt i et magneto-optisk Trap (MOT). Dette krever imidlertid et helt nytt lag av forsøks kompleksitet som er involvert i å kontrollere kald atom sky. Dette er et system vi vurderer for øyeblikket i vårt laboratorium 36.
The authors have nothing to disclose.
Forskningen er støttet av den australske Forskningsrådet Centre of Excellence for Quantum Computation og kommunikasjonsteknologi, prosjektnummer CE110001027.
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 |