[論文レビュー] Entanglement of light-shift compensated atomic spin waves with telecom light

Y. O. Dudin, A. G. Radnaev+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2010

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、1064 nmの光格子中に閉じ込められた87Rb原子のスピン波メモリ量子ビットと795 nm光偏光量子ビットとの間でエンタングルメントを実証した。磁場補償と二光子光シフトキャンセレーションにより位相破壊が抑制され、1367 nmの通信波長に波長変換し、ファイバー伝送を経てエンタングルメントが維持された。0.1秒の保存時間でベル不等式違反（S = 2.65 ± 0.12）が確認された。

ABSTRACT

Entanglement of a 795 nm light polarization qubit and an atomic Rb spin wave qubit for a storage time of 0.1 s is observed by measuring the violation of Bell's inequality (S = 2.65 \pm 0.12). Long qubit storage times are achieved by pinning the spin wave in a 1064 nm wavelength optical lattice, with a magic-valued magnetic field superposed to eliminate lattice-induced dephasing. Four-wave mixing in a cold Rb gas is employed to perform light qubit conversion between near infra red (795 nm) and telecom (1367 nm) wavelengths, and after propagation in a telecom fiber, to invert the conversion process. Observed Bell inequality violation (S = 2.66 \pm 0.09), at 10 ms storage, confirms preservation of memory/light entanglement through the two stages of light qubit frequency conversion.

研究の動機と目的

• 光学格子内での原子スピン波の位相破壊を抑制することで、量子ネットワーク用の長寿命量子メモリを実現すること。
• 795 nmと1367 nm間の低損失・高忠実度波長変換を可能にすることで、原子メモリ量子ビットとファイバー駆動通信ネットワークの相互運用性を確立すること。
• 二段階周波数変換とファイバー伝送を経て、メモリ量子ビットと通信波長光量子ビット間の量子エンタングルメントを維持すること。
• 魔法の磁場と二光子補償を用いて不均一なac-スターブシフトを除去することで、原子スピン波量子ビットの保存時間を10 ms以上に延長すること。

提案手法

• 1064 nmの1次元光格子を用いて87Rb原子を局在化させ、運動的位相破壊を低減し、長時間の保存を可能にする。
• 二光子光シフトキャンセレーションにより、不均一なac-スターブシフトを磁場を用いてキャンセルし、クロック状態量子ビットを安定化させる。
• 冷たいRbガス中の四波混合を用いて、795 nm（NIR）と1367 nm（通信波長）間で効率的かつ偏光安定な波長変換を実現し、キャスケード遷移（e→d および a↔c）を用いる。
• 信号光をHおよびV偏光成分に分割し、V成分を235 ns遅延させて、変換中の時間的整合性を維持する。
• 偏光ビームスプリッターと波長板を用いた干渉計的セットアップにより、偏光状態を安定化させ、変換およびファイバー伝送中の量子相関を保持する。
• 抽出後にベル不等式違反（S）を測定し、エンタングルメントの維持を確認する。検出にはSiおよびInGaAs/InP単一光子検出器を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1次元光格子内に閉じ込められた原子スピン波量子ビットが、795 nm光量子ビットとエンタングルされた状態で0.1秒以上保存可能か？
• RQ2 NIRから通信波長への二段階波長変換と100 mのファイバー伝送を経ても、メモリ量子ビットと通信波長光量子ビット間のエンタングルメントが維持可能か？
• RQ3 光格子内での光シフト誘発位相破壊を効果的に補償することで、メモリのコherencte時間の延長が可能か？
• RQ4 このハイブリッド系を用いて、通信波長光量子ビットとエンタングルされたスピン波量子ビットの最大保存時間はどの程度か？
• RQ5 実際のネットワーク環境下で、波長変換およびファイバー伝送における偏光状態保持の忠実度はどのように評価できるか？

主な発見

• ベル不等式違反（S = 2.65 ± 0.12）により、795 nm光量子ビットと原子スピン波量子ビット間のエンタングルメントが最大0.1秒間維持された。
• 保存時間はトラップ軸に沿った原子の運動に制限されており、2次元または3次元光格子を用いることでさらにコherencte時間を延長できる可能性がある。
• 1367 nmへの波長変換および100 mの通信ファイバーを経由した後、10 msの保存時間でエンタングルメントが維持され、S = 2.66 ± 0.09が得られた。
• 波長変換においてHおよびV偏光成分の両方で54%の変換効率を達成し、2日間にわたり偏光安定性が維持された。
• 入力から最終検出までの合成透過効率は7.5(5)%であり、主に被動損失とファイバー結合損失が支配的であり、偏光縞の著しいドリフトは観測されなかった。
• 測定された相関関数E(θs, θi)は角度に応じて正弦関数的依存を示し、量子エンタングルメントと整合的であり、1 μsおよび10 msの両保存時間でS値が古典的限界（S > 2）を超えた。