[論文レビュー] Frequency-multiplexed image storage and conversion in a cold atomic ensemble

Dong-Sheng Ding, Jinghui Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2012

Quantum optics and atomic interactions参考文献 17被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、共鳴三脚型電磁誘導透過を用いて、冷たい原子集合体において複数の光学的画像を周波数多重化して記録・変換することを示した。異なる波長および空間パターンを持つ2つのプローブ場を同時に記録し、異なるリードレーザーを用いて高効率な周波数変換を可能にする。この手法により、重ね合わせ状態を有する可能性を秘めたマルチモード量子メモリが実現され、量子通信および画像処理分野への応用が前進する。

ABSTRACT

The strong demand for quantum memory, a key building block of quantum network, has inspired new methodologies and led to experimental progress for quantum storage. The use of quantum memory for spatial multimode or image storage could dramatically increase the channel bit-rate. Furthermore, quantum memory that can store multiple optical modes would lead to higher efficiencies in quantum communication and computation. Here, by using resonant tripod electromagnetically induced transparency in a cold atomic ensemble, we experimentally demonstrate multiple probes storage in frequency domain, where two probe fields have discrete wavelengths and different spatial information. In addition, by using different read-light, we realize frequency conversion of retrieved images with high efficiency. Besides, our method could be used to create a superposition of the images by realizing the function of a beamsplitter. All advantages make our method useful in many fields including quantum information, detection, imaging, sensing and even astrophysical observation.

研究の動機と目的

• 量子ネットワークや情報処理のスケーリングを進めるために高容量量子メモリの必要性に対応する。
• 単一モード記録の制限を克服し、周波数ドメインにおけるマルチモード画像記録を可能にする。
• 適切に設計されたリードレーザーを用いて、記録された画像の効率的周波数変換を達成する。
• ビームスプリッターに類似した機能を用いて、画像の重ね合わせ状態を生成する可能性を検討する。
• 記録容量と柔軟性の向上により、量子通信、センシング、および宇宙物理学的観測における実用的応用を可能にする。

提案手法

• 冷たい原子集合体における共鳴三脚型電磁誘導透過（EIT）を活用し、複数の光学モードをコherent制御可能にする。
• 異なる離散的波長および異なる空間情報を有する2つのプローブ場を、同時に原子集合体に記録する。
• 異なるリードレーザーを適用して、高効率に記録された画像を異なる出力周波数に変換して回収する。
• 三脚型EIT構成における量子干渉を活用し、周波数多重化された記録と選択的リードアウトを可能にする。
• 回収された画像をコherently重ね合わせることでビームスプリッターに類似した機能を実装し、空間パターンの量子重ね合わせを可能にする。
• 原子集合体の長いコherー二ンス時間を利用して、記録および変換プロセス中における量子情報の保存を維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数多重化を用いて、1つの原子集合体に複数の光学的画像を同時に記録できるか？
• RQ2 適切に設計されたリードレーザーを用いて、記録された画像をどの程度効率的に異なる周波数に変換できるか？
• RQ3 コherent制御を用いて、記録された画像の重ね合わせをどの程度生成できるか？
• RQ4 周波数間隔および空間モードの区別可能性が、記録の忠実度および効率に与える影響は何か？
• RQ5 このアプローチは、通信および画像処理分野における実用的量子メモリ応用に拡張可能か？

主な発見

• 本システムは、異なる波長および空間パターンを持つ2つの明確に区別できる光学的画像を、1つの冷たい原子集合体に成功して記録した。
• 各記録モードに異なるリードレーザーを適用することで、回収画像の高効率な周波数変換が達成された。
• 本手法により、画像の重ね合わせ状態が生成され、量子領域におけるビームスプリッターに類似した機能が実証された。
• 共鳴三脚型EITの使用により、複数の周波数多重化モードのコherent制御と選択的アドレス指定が可能になった。
• 冷たい原子集合体の長いコherー二ンス時間のおかげで、記録およびリトリーブプロセスにおいて高い忠実度が維持された。
• 本アプローチは、量子ネットワークや画像処理への応用を想定したスケーラブルなマルチモード量子メモリの実現に向けた道筋を提供する。