[論文レビュー] Optical quantum memory with generalized time-reversible atom-light interactions

S. A. Moiseev, Wolfgang Tittel|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2008

Quantum optics and atomic interactions被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、不均一な幅広い原子系における時間反転可能なラマン相互作用を用いた一般化された光量子メモリを提案し、強い光場および非線形光場の記録を可能にする。制御可能で逆転可能な不均一な幅広さ（RECRIB）と原子周波数コンブ（REAFC）を一つの枠組みで統合し、短い光的コherency時間でさえも高い効率を達成可能にするとともに、周波数変換などの高度な操作が可能になる。

ABSTRACT

We examine a quantum memory scheme based on controllable dephasing of atomic coherence of a non-resonant, inhomogeneously broadened Raman transition. We show that it generalizes the physical conditions for time-reversible interaction between light and atomic ensembles from weak to strong fields and from linear to non-linear interactions. We also develop a unified framework for different realizations exploiting either controlled reversible inhomogeneous broadening or atomic frequency combs, and discuss new aspects related to storage and manipulation of quantum states.

研究の動機と目的

• 弱場領域を超えて、強い場および非線形相互作用における時間反転可能な量子メモリの拡張を目的とする。
• ラマンベースの量子メモリにおいて、制御可能で逆転可能な不均一な幅広さ（RECRIB）と原子周波数コンブ（REAFC）を、一つの理論的枠組みで統合することを目的とする。
• 直接ラマン移行を活用することで、短い光的コherency時間を有する原子媒体においても、効率的な量子状態記録を可能にすることを目的とする。
• ラビ周波数およびスペクトル的デチューニングの制御が、記録帯域幅の向上および周波数変換などの新しい量子操作を可能にする方法を示すこと

提案手法

• 量子状態の記録には、非共鳴的で不均一に広がったラマン遷移を用い、原子コherencyの制御された位相崩壊を実現する。
• 周波数を調整可能なライティングパルスが、時間依存のスターリングシフトを引き起こし、ラマン遷移の動的幅広がりを制御して位相崩壊を調整する。
• 遅延を空けて入射するリーディングパルスにより、位相崩壊が逆転され、保存された光が逆方向のエコーとしてコherently再放射される。
• 時間反転対称性を含む運動方程式の連立系を用いて、システムをモデル化し、任意の場強度下での効率の分析を可能にする。
• ガウス線形状と有効光的深さを用いて、RECRIBおよびREAFCプロトコルのそれぞれについて、解析的に効率を導出する。
• この枠組みにより、制御場のキャリア周波数、波数ベクトル、およびラビ周波数の制御によって、光場の操作が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光エコー量子メモリにおける時間反転可能な相互作用は、弱場領域を超えて強い光場および非線形光場へ一般化可能か？
• RQ2 ラマンベースの量子メモリにおいて、弱場と強場領域における時間反転の条件はどのように異なるか？
• RQ3 制御可能で逆転可能な不均一な幅広さ（RECRIB）と原子周波数コンブ（REAFC）は、量子メモリのための一つの理論的枠組みで統合可能か？
• RQ4 不均一に広がった原子系における量子メモリの効率および帯域幅に、場強度と非線形性が及える影響は何か？
• RQ5 量子メモリプロトコルは、周波数変換や量子圧縮などの追加操作を可能にするようにどのように拡張可能か？

主な発見

• 本論文は、時間反転可能な原子-光相互作用を強い場および非線形相互作用へ一般化し、弱場領域を超えた量子メモリの有効性を拡張した。
• ラマン遷移における制御可能な位相崩壊に基づく、RECRIBおよびREAFCプロトコルを一つの記述で統合した統一フレームワークが開発された。
• RECRIBプロトコルの効率は、ε = exp{−Γ²(t₁ + t₂)²}|1 − e⁻αeffL|²で与えられ、ここでαeffおよびΓは自然なおよび制御可能な不均一な幅広がりに依存する。
• REAFCの場合、有効光的深さはαeff ∝ γ/δcombに比例し、位相崩壊率はΓ = fγに比例するため、大きなコンブ帯域幅で高い効率が達成可能である。
• 数値結果から、同じ光的深さにおいてREAFCがRECRIBよりも高い効率を示し、最大効率はαoLの増加に伴い上昇することが分かった。
• このフレームワークにより、制御場のラビ周波数および波数ベクトルの制御を活用して、周波数変換や量子圧縮などの新たな機能が実現可能になった。