[論文レビュー] Phase Locked Photon Echoes for Near-Perfect Retrieval Efficiency and Extended Storage Time

Byoung S. Ham, J. Hahn|ArXiv.org|Nov 19, 2009

Quantum optics and atomic interactions参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、量子メモリにおける保存時間の延長とほぼ完全な効率でのリトリーブを達成するために、補助スピン状態を用いた位相ロック光エコープロトコルを提案する。再位相化プロセスを位相ロックによって条件付きで停止させることで、保存時間がスピンの位相崩壊時間まで延長され、準位相共役リトリーブを用いて実験的に確認された。これは、高精度な量子画像記録を可能にする。

ABSTRACT

Quantum storage of light in a collective ensemble of atoms plays an important role in quantum information processing. Consisting of a quantum repeater together with quantum entanglement swapping, quantum memory has been intensively studied recently. Conventional photon echoes have been limited by extremely low retrieval efficiency and short storage time confined by the optical phase decay process. Here, we report a storage time-extended near perfect photon echo protocol using a phase locking method via an auxiliary spin state, where the phase locking acts as a conditional stopper of the rephasing process resulting in extension of storage time determined by the spin dephasing process. We experimentally prove the proposed phase locked photon echo protocol in a Pr3+ doped Y2SiO5 in a quasi phase conjugate scheme, where the phase conjugate gives the important benefit of aberration corrections when dealing with quantum images.

研究の動機と目的

• 従来の光エコーは、光の位相崩壊のため、リトリーブ効率が低く、保存時間が短いという制限があるため、これを解消すること。
• 量子メモリシステムにおいて、高いリトリーブ効率と長い保存時間の両立というトレードオフを克服すること。
• スピンの位相崩壊時間を新たな時間スケールとして用いることで、保存時間を光学的位相崩壊限界を超えて延長するプロトコルを開発すること。
• 内在的な収差補正機能を有する準位相共役検出を用いて、高精度な量子画像のリトリーブを可能にすること。
• 固体状態の希土類イオン系において、位相ロック光エコープロトコルの実現可能性を実証すること。

提案手法

• 再位相化プロセスの条件付きストッパーとして機能する補助スピン状態を導入する。
• 原子アンサンブルの位相進化を補助スピン状態と同期させることで位相ロックを実現し、望ましい時刻に再位相化を停止させる。
• エコーの伝搬方向を逆転させる準位相共役方式を用いて、収差補正を可能にする。
• 位相ロックのタイミングを調整することでエコーのリトリーブ時刻を制御し、保存時間の上限を光学的位相崩壊時間からスピン位相崩壊時間へとシフトさせる。
• レーザーパルスのシーケンスを用いて、原子アンサンブルを重ね合わせ状態に準備し、エコー過程を開始し、補助状態を介して位相をロックする。
• 保存時間の上限としてスピン位相崩壊時間を用いることで、従来の光学的位相崩壊限界をはるかに超える長時間の保存を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 補助スピン状態による位相ロックは、光の位相崩壊時間を超えて光エコーの保存時間を延長できるか？
• RQ2 位相ロック光エコープロトコルは、固体状態量子メモリ系においてほぼ完全なリトリーブ効率を達成できるか？
• RQ3 準位相共役リトリーブ方式は、量子画像記録における収差補正にどのように寄与するか？
• RQ4 位相ロックは、保存された量子状態の忠実度およびコherー二ティにどのような影響を与えるか？
• RQ5 本プロトコルは、Pr³⁺ドープY₂SiO₅において実験的に実現可能であり、保存時間およびリトリーブ効率の測定可能な向上をもたらすか？

主な発見

• 位相ロック光エコープロトコルにより、保存時間がスピン位相崩壊時間まで延長され、従来の光学的位相崩壊時間よりも著しく長くなった。
• 位相ロックによる位相拡散の抑制のおかげで、ほぼ完全なリトリーブ効率が達成された。
• 準位相共役リトリーブ方式により、内在的な収差補正が可能となり、このプロトコルは量子画像記録に適している。
• Pr³⁺:Y₂SiO₅における実験的実証により、プロトコルの実現可能性と性能向上が確認された。
• プロトコルにより、保存時間が光学的位相崩壊に依存しなくなり、スピンコherー二ティに制限される長期間の量子メモリ運用が可能になった。
• 補助スピン状態を条件付きストッパーとして用いることで、エコーのタイミング制御が効果的に行われ、メモリの忠実度が向上した。