[論文レビュー] A Single-Photon-compatible Telecom-C-Band Quantum Memory in a Hot Atomic Gas

S. E. Thomas, S. Sagona-Stophel+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Quantum optics and atomic interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、熱い 87Rb 蒸気中の非共鳴連鎖吸収（ORCA）を用いて、通信Cバンド光の単一光子適合量子メモリを提示する。信号対ノイズ比（SNR）が 1.9×10⁴ に達する低ノイズ性能を実現し、入力平均光子数が 4.5(6)×10⁻⁶ 光パルス⁻¹ にまで低下しても SNR = 1 を達成可能であり、20.90(1)% の総メモリ効率と 1.10(2) ns のドーピラー制限付き保存時間を維持している。

ABSTRACT

The efficient storage and on-demand retrieval of quantum optical states that are compatible with the telecommunications C-band is a requirement for future terrestrial-based quantum optical networking. Spectrum in the C-band minimises optical fiber-propagation losses, and broad optical bandwidth facilitates high-speed networking protocols. Here we report on a telecommunication wavelength and bandwidth compatible quantum memory. Using the Off-Resonant Cascaded Absorption protocol in hot $^{87}$Rb vapour, we demonstrate a total memory efficiency of $20.90(1)\,\%$ with a Doppler-limited storage time of $1.10(2)\,$ns. We characterise the memory performance with weak coherent states, demonstrating signal-to-noise ratios greater than unity for mean photon number inputs above $4.5(6) imes10^{-6}$ per pulse.

研究の動機と目的

• スケーラブルで室温での運用が可能なプラットフォームにおいて、高効率・低ノイズの通信Cバンド光用量子メモリを実現すること。
• 従来の通信Cバンド量子メモリの限界、例えば高バックグラウンドノイズ、冷却装置の必要性、または複雑な周波数変換の問題を克服すること。
• 熱い原子蒸気を用いたノイズフリーなプロトコルにより、広帯域かつオンデマンド型の単一光子適合量子メモリを実証すること。
• 1パルスあたり 10⁻⁵ 未満の平均光子数を有する弱いコherent状態に対して、高い信号対ノイズ比を達成すること。
• 既存のファイバー基盤量子ネットワークおよび単一光子源と互換性のある実用的で高帯域幅のソリューションを提供すること。

提案手法

• ORCAプロトコルは、87Rb 蒸気中のラダー原子遷移に対して2光子共鳴に調整された、互いに逆向きに進行する2つの光場を用いる。
• コントロールパルスが広帯域の仮想状態を形成し、信号パルスの効率的かつコherentな吸収を可能にし、集団的な原子励起状態に記録する。
• メモリ状態は、基底状態に人口が存在しない二重励起状態であり、自発的放出ノイズが排除され、内在的にノイズフリーな動作が可能となる。
• 可変な保存時間の後、2番目のコントロールパルスによりオンデマンドで信号を再生可能であり、完全なメモリサイクル制御が可能となる。
• ノイズは弱いコherent状態を用いて評価され、信号対ノイズ比を測定することで、SNR = 1 を達成するための最小入力光子数を特定する。
• メモリ効率は、読み込み効率と読み出し効率の積として計算され、総効率は 20.90(1)% に達した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱い原子蒸気中で、単一光子レベルの性能と最小限のノイズを有する通信Cバンド量子メモリを実現可能か？
• RQ2 広帯域かつオンデマンド型量子メモリにおいて、信号対ノイズ比（SNR）= 1 を達成するために必要な最小平均光子数は何か？
• RQ3 熱い 87Rb 蒸気中の ORCA プロトコルは、他の量子メモリプラットフォームと比較して、ノイズ、効率、帯域幅の面でどのように異なるか？
• RQ4 ORCA プロトコルは、高効率を維持しつつ、既存の通信ファイバーネットワークおよび単一光子源と互換性を保てるか？
• RQ5 ドーピラー幅による広がりを示す熱い原子蒸気を用いた ORCA において、保存時間およびノイズ性能の根本的限界は何か？

主な発見

• 総メモリ効率は 20.90(1)% に達し、ドーピラー制限付き保存時間は 1.10(2) ns であった。
• 入力平均光子数が 0.084 パルス⁻¹ の場合、信号対ノイズ比は 1.9(1)×10⁴ に測定された。
• SNR = 1 を達成するために必要な最小入力平均光子数は 4.5(6)×10⁻⁶ パルス⁻¹ であり、これは以前の ORCA 実験と比較して10倍の改善を示している。
• 再生された単一光子の2次自己相関関数は g²(out) = 9(1)×10⁻⁶ であり、ほぼ理想の単一光子性を示している。
• 単一光子の保存における出力忠実度は 99.9996% と推定され、高忠実度の量子状態保存が実現された。
• メモリはギガヘルツ帯域幅で動作可能であり、パラメトリックダウン変換および InGaAs 量子ドット光源と互換性がある。