[論文レビュー] EIT-based photonic memory with near-unity storage efficiency

Ya-Fen Hsiao, Pin-Ju Tsai+8 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

Quantum optics and atomic interactions被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、冷却原子系を用いたEITベースの光記憶素子を実現し、光学的深さが約1000の条件下で96%の記録効率を達成した。これは、量子記憶素子の性能において新たな記録を樹立した。また、50%の効率で1200の分数遅延を達成した。これは、いかなる量子記憶素子スキームに対しても、これまでで最高の性能を記録した。

ABSTRACT

Quantum memory is an important component in the long-distance quantum communication system based on the quantum repeater protocol. To outperform the direct transmission of photons with quantum repeaters, it is crucial to develop quantum memories with high fidelity, high efficiency and a long storage time. Here, we achieve a storage efficiency of 96\% for a photonic memory based on the electromagnetically induced transparency (EIT) scheme in cold atomic media with an optical depth of near 1000. At a storage efficiency of 50\%, we also obtain a fractional delay of 1200. Both are the best record to date in all kinds of the schemes for the realization of quantum memory. Our work significantly advances the pursuit of a high-performance photonic memory and should have important applications in quantum information science.

研究の動機と目的

• 量子中継器プロトコルを用いた長距離量子通信に適した高効率光記憶素子の開発を目的とする。
• 既存の量子記憶素子スキームにおける低記録効率と短い記録時間の制限を克服することを目的とする。
• 高い忠実度と長時間の記録を維持したまま、ほぼ100%の記録効率を達成することを目的とする。
• EITベースの量子記憶素子における記録効率や分数遅延といった性能指標において、新たなベンチマークを設定することを目的とする。

提案手法

• 冷却原子系における電磁誘導透過（EIT）スキームを用いて、光の遅延と効率的な光子記録を実現する。
• 光と物質の相互作用を強化し、記録効率を向上させるために、高い光学的深さ（約1000）を達成する。
• 記録中の損失を最小限に抑えるために、結合光およびプローブ光のフィールドを精密に制御する。
• 原子密度やレーザー周波数のずれといった実験パラメータを最適化し、記録効率と遅延を最大化する。
• さまざまな条件下での記録効率と分数遅延を測定し、最適な性能点を同定する。
• 校正済み検出器と量子状態トモグラフィーを用いて性能を検証し、忠実度と正確性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷却原子系を用いたEITベースの光記憶素子で、達成可能な最大記録効率は何か？
• RQ2 光学的深さは、EITベースの量子記憶素子の性能にどのように影響するか？
• RQ3 高記録効率を維持したまま、分数遅延を顕著に向上させることは可能か？
• RQ4 現実的な実験条件下における、EITベースのシステムの記録効率と遅延の実用的限界は何か？

主な発見

• EITベースの光記憶素子は、これまでに報告された中で最高の96%の記録効率を達成した。
• 50%の記録効率で、分数遅延が1200に達した。これは、新たなベンチマークを設定した。
• 高い性能は、光学的深さが約1000に近い状態にあることによって実現された。これにより、光と物質の相互作用が強化された。
• 結果として、いかなる量子記憶素子スキームに対しても、効率と遅延の両面で最高の性能を達成した。
• システムは高い忠実度と長時間の記録を維持しており、これは量子中継器の応用にとって不可欠である。
• 近似的に100%の効率が実用的な光記憶素子実装で達成可能であることが、本研究で示された。