[論文レビュー] Echo-Based Quantum Memory

Geoff Campbell, K. R. Ferguson+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Quantum optics and atomic interactions参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、勾配エコー記憶（GEM）、原子周波数コンブ（AFC）、再位相化増幅自発放射（RASE）の3つのエコーに基づく量子メモリプロトコルをレビューし、光子の量子状態を効率的かつオンデマンドで記録・再生可能にする。不均一な幅による散乱を逆転させることで原子の位相を再位相化し、高い再取得効率、マルチモード動作、もつれの保存を実現する。RASEは、量子もつれの保存に成功した最初のプロトコルである。

ABSTRACT

In this book chapter we review photon echo based schemes for optical quantum memory. We outline the basic principles of the Atomic Frequency Comb (AFC), Gradient Echo Memory (GEM) and Rephased Amplified Spontaneous Emission (RASE) protocols. We describe the properties of the rare-earth ion and gaseous vapours ensembles that have been used to carry out experimental demonstrations. These experiments are then discussed with reference to relevant classical and quantum performance criteria.

研究の動機と目的

• 長距離光子量子通信における非決定的性を克服し、オンデマンドで量子状態を記録・再生可能な量子メモリを実現すること。
• 従来の光子吸収の限界（不可逆的デコherenceや再吸収）を、不均一な幅の時間反転制御によって克服すること。
• GEM、AFC、RASEの3つの代表的エコーベースプロトコルの、効率、帯域幅、マルチモード能力、ノイズ性能について、同定および評価すること。
• レアアースドープ結晶と統合波ガイドを用いた高性能量子メモリの開発に向けた材料的課題と今後の方向性を提示すること。

提案手法

• 光学遷移の周波数がエナサンブル全体にわたって不均一に広がったレアアースイオンの不均一に広がった集団を用いる。
• 時間反転技術を用いる：GEMでは遷移周波数の空間的勾配を逆転させることで位相を再位相化する。AFCでは周期的なスペクトルコンブを用いて受動的エコーを形成する。
• RASEでは、励起状態反転遷移によりエンタングルド光子対が生成され、一方の光子が再位相化を介して媒体に記憶され、オンデマンドで再取得可能となる。
• 光学制御パルス（例：πパルス）および外部場を用いてエネルギー準位を操作し、可逆的な広がりを誘発する。
• スペクトルフィルタリングおよび検出技術（例：混合検出）を適用し、自由誘導減衰などのノイズ源から量子信号を分離する。
• 波ガイド統合および材料工学（例：Pr3+:YSO、Tm3+:LiNbO3、167Er3+:YSO）を用いて、光学的深さを向上させ、ファイバーネットワークと互換性を高める。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして光子エコープロトコルを設計することで、不可逆的吸収を逆転させ、高効率でノイズのない量子メモリを実現できるか？
• RQ2 GEM、AFC、RASEプロトコル間で、再取得効率、帯域幅、マルチモード容量、ノイズ性能のトレードオフは何か？
• RQ3 エコーに基づく手法を用いて、高い忠実度ともつれの保存を伴うオンデマンドの量子状態再取得が可能か？
• RQ4 エコーに基づく量子メモリで長時間記憶、高光学的深さ、大帯域幅を達成するために必要な材料特性は何か？
• RQ5 波ガイドやキャビティを含むシステムレベル統合およびノイズ低減技術は、これらのメモリのスケーラビリティと性能をどのように向上させ得るか？

主な発見

• GEMは、逆向きのエコー放射により再吸収を排除することで、最大90％の高い再取得効率を達成し、逆向きパルスの必要性を回避する。
• AFCメモリは大容量マルチモードおよび高帯域幅を示し、Pr3+:YSOおよびTm3+:LiNbO3波ガイドでの実験的実装で光学的深さが100に達した。
• RASEは、これまでに唯一、量子状態の記錟能と連続変数もつれの保存に成功したプロトコルであり、不分離性基準の98.6％の信頼水準で違反を示した。
• 4準位RASE方式では再取得効率が3％に達したが、インピーダンス整合キャビティを用いることで理論的にはほぼ100％の効率が予測されている。
• 167Er3+:YSOはZEFOZを用いなくても1.3秒のハイパーファイン位相コherences時間を示し、GHz帯域幅の記憶と1550 nm通信帯域との互換性を有する可能性を示している。
• Tm3+:LiNbO3およびPr3+:YSOの波ガイドベースAFCメモリは、統合フォトニクスと互換性があり、小モード体積のため非線形光学ゲートの実現にも有望である。