[論文レビュー] Multi mode nano scale Raman echo quantum memory

С. А. Моисеев, E. S. Moiseev|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2010

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 3被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、誘電体-負屈折率メタマテリアル界面における磁気的表面プラズモン極化子（SPP）に結合された原子系におけるラーマンエコーを用いたナノスケール量子メモリを提案する。低損失で波長より小さいスケールに閉じ込められたSPPモードを活用することで、効率的なマルチモード記憶と量子状態の完全なリトリーブが可能となり、空間的およびスペクトル的制御性が高く、スケーラブルなオンチップ量子情報処理のためのプラットフォームを実証する。

ABSTRACT

Low loss magnetic surface plasmon polariton (SPP) modes characterized by enhanced electrical field component and subwavelength confinement on the dielectric and negative-index metamaterial interface are presented. We demonstrate a possibility of storage and perfect retrieval of the low loss magnetic SPP fields by using a photon echo quantum memory on Raman atomic transition. We describe specific properties of the proposed technique which opens a possibility for efficient nano scale multi-mode quantum memory.

研究の動機と目的

• ナノスケールの光学モードを用いたコンactかつスケーラブルなオンチップ統合型量子メモリの開発。
• 波長より小さいスケールに閉じ込められ低損失の表面プラズモンモードを活用することで、従来の量子メモリの限界を克服すること。
• 誘電体-メタマテリアル界面におけるSPPの電場強化を活用し、マルチモード量子記憶を実現すること。
• 原子遷移におけるラーマンエコーを用いて、量子状態の高精度な記録とリトリーブを達成すること。
• 最小限の光学損失でナノスケールでの量子メモリ動作の可能性を実証すること。

提案手法

• 誘電体と負屈折率メタマテリアルの界面における磁気的表面プラズモン極化子（SPP）を用い、光を回折限界を下回るスケールに閉じ込めること。
• SPPモードと原子アンサンブルの間の相互作用を媒介するためにラーマン原子遷移を採用し、光エコーに基づく量子メモリを実現すること。
• SPPモードを設計して電場成分を強化するとともに、伝搬損失を最小限に抑えること。
• レーザーパルスのシーケンスを適用して光エコーを生成し、励起状態の時間反転を実現し、記憶された量子状態の完全なリトリーブを可能にすること。
• 同時に複数の空間的またはスペクトル的モードをサポートするようにシステムを設計し、マルチモード動作を実現すること。
• 原子アンサンブルの量子コherーを活用して、記録およびリトリーブ中に量子状態を保存すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低損失で波長より小さいスケールに閉じ込められたSPPモードを用いることで、ナノスケールでの効率的な量子メモリが実現可能か？
• RQ2 原子系におけるラーマンエコー技術をSPPモードの量子状態記憶およびリトリーブに適応可能か？
• RQ3 電場強化が顕著なSPPを用いたマルチモード量子記憶は実現可能か？
• RQ4 負屈折率メタマテリアルがSPPモードの特性を向上させ、量子メモリに寄与する役割は何か？
• RQ5 ナノ構造SPPベースの量子メモリーシステムで量子状態の完全なリトリーブが達成可能か？

主な発見

• 提案されたシステムは、誘電体-メタマテリアル界面で低損失の磁気的SPPモードを実現し、強い電場強化と波長より小さいスケールの閉じ込めを達成している。
• ラーマンエコー機構により、SPPモードに記憶された量子状態の完全なリトリーブが可能であり、高精度な量子メモリ動作が確認された。
• SPPモードの空間的およびスペクトル的多重性のおかげで、マルチモード量子記憶の可能性が示された。
• 理論的解析により、SPPモードにおける電場強化が光-物質相互作用効率を顕著に向上させることを確認した。
• ナノスケールのフォトニクスと低光学損失の両方を満たしているため、スケーラブルかつオンチップ統合に適している。
• プラズモニクスおよび原子系を用いたナノスケール量子メモリの今後の実験的実現の基盤を確立した。