[論文レビュー] A room-temperature noise-free quantum memory for broadband light

K. T. Kaczmarek, Patrick M. Ledingham+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2017

Quantum optics and atomic interactions被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、温和地区の原子蒸気中における二光子非共鳴連鎖吸収（ORCA）に基づくノイズフリーな量子メモリプロトコルを提案し、追加のノイズを加えずにGHz帯域幅のヘルド単一光子の記録とオンデマンドリトリーブを可能にする。主な結果は実験的に確認され、光子統計が保持されていることが示され、スケーラブルな光量子ネットワークに不可欠な内在的ノイズフリー動作が実証された。

ABSTRACT

Quantum networks promise to revolutionise computing, simulation, and communication. Light is the ideal information carrier for quantum networks, as its properties are not degraded by noise in ambient conditions, and it can support large bandwidths enabling fast operations and a large information capacity. Quantum memories, devices that store, manipulate, and release on demand quantum light, have been identified as critical components of photonic quantum networks, because they facilitate scalability. However, any noise introduced by the memory can render the device classical by destroying the quantum character of the light. Here we introduce an intrinsically noise-free memory protocol based on two-photon off-resonant cascaded absorption (ORCA). We consequently demonstrate for the first time successful storage of GHz-bandwidth heralded single photons in a warm atomic vapour with no added noise; confirmed by the unaltered photon statistics upon recall. Our ORCA memory platform meets the stringent noise-requirements for quantum memories whilst offering technical simplicity and high-speed operation, and therefore is immediately applicable to low-latency quantum networks.

研究の動機と目的

• 記録された光の量子コherー二ンを破壊する可能性がある量子メモリのノイズという重要な課題に対処する。
• 冷却不要の室温で動作し、内在的ノイズ抑制を実現する量子メモリプロトコルを開発し、液体ヘリウム冷却や複雑な誤り補正を回避する。
• 実用的な光量子ネットワークに適した、高帯域幅・高速な量子光の記録・リトリーブを実現する。
• 記録とリトリーブ後に光子統計が変化しないことを実証し、追加ノイズが存在しないことを確認する。
• 低遅延量子通信システムへの統合に適した技術的に単純でスケーラブルなプラットフォームを提供する。

提案手法

• 室温の原子蒸気中で、二光子非共鳴連鎖吸収（ORCA）プロトコルを実装し、コherentでノイズフリーな光の記録を実現する。
• 二光子遷移の連鎖を用いて、長寿命の励起状態を励起せずに、入射光と原子系との間で強いコherent結合を実現する。
• 室温で動作可能なルビジウム原子蒸気を記録媒体として採用し、液体ヘリウム冷却装置を不要にする。
• 実際の量子通信環境を想定し、数GHzの帯域幅を持つヘルド単一光子を用いてメモリの性能を評価する。
• コントロール場を用いて、光子励起状態を長寿命の原子スーパーポジション状態へとコherently転送し、記録する。
• コントロール場の順序を逆転させることでオンデマンドリトリーブを実現し、追加のノイズを加えずに保存された量子状態を放出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 記録とリトリーブ中に追加ノイズを一切発生させない室温動作型量子メモリを設計可能か？
• RQ2 ORCAプロトコルは、温和地区の原子蒸気中で広帯域単一光子のノイズフリー記録を可能にするか？
• RQ3 入射光の量子的性質が記錢とリトリーブ後にどの程度保持されているか、光子統計の観点からどの程度保たれているか？
• RQ4 ORCAメモリは、実世界の量子ネットワークに適した高速動作とスケーラビリティを達成できるか？
• RQ5 ORCAプラットフォームの技術的単純さは、低遅延量子通信システムへの実用的導入を可能にするか？

主な発見

• ORCAを基盤とする量子メモリは、追加ノイズを一切発生させず、GHz帯域幅のヘルド単一光子を記録・リトリーブした。
• リトリーブ後の光子統計が変化せず、光の量子的性質が保持されており、ノイズの存在が確認されなかった。
• 室温で動作するため、液体ヘリウム冷却の必要がなく、技術的実現可能性が向上した。
• 高速動作を示し、低遅延量子ネットワークに適している。
• ORCAプロトコルの内在的ノイズフリー性により、スケーラブルな光量子ネットワークの有力候補となった。
• 実験結果は、非共鳴連鎖吸収の理論的枠組みがノイズレス量子メモリへの実現可能性を示すものであることを裏付けた。