[論文レビュー] Photon-Echo Quantum Memory

Wolfgang Tittel, Mikael Afzelius+5 more|ArXiv.org|Oct 1, 2008

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 7被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、希土類元素イオンドープ結晶における制御された可逆的不均一幅広化（CRIB）に基づく光エコー量子メモリについてレビューし、単一光子量子状態の高精度でオンデマンドの記録・再生を可能にする。最大45％の再生効率を達成し、長距離量子通信におけるスケーラブルな量子リピーターの実現に道を拓く。

ABSTRACT

The future of long-distance quantum communication relies on the availability of quantum memory, i.e. devices that allow temporal storage of quantum information. We review research related to quantum state storage based on a photon-echo approach in rare earth ion doped crystals and glasses.

研究の動機と目的

• 長距離量子通信のための光エコー量子メモリの発展をレビューすること。
• 量子情報の測定による崩壊を回避するという制約（no-cloning定理に反する）を満たす、可逆的かつ非測定による量子情報の記録を実現すること。
• 固体系における単一光子およびエンタングルド状態の記録に、CRIBに基づく量子メモリが実用的であることを確立すること。
• 高精度・高効率な量子メモリ用途に適した希土類元素イオンドープ結晶およびガラスの材料的要件を評価すること。
• 量子情報としての振幅および位相符号化光学パルスの記録・再生に関する実験的進展を提示すること。

提案手法

• 希土類元素イオンドープ結晶内の原子遷移のスペクトルプロファイルを制御的に可逆的に不均一幅広化（CRIB）することで操作する。
• 吸収プロセスの時間反転を、逐次的なレーザーパルスを用いて実現し、光エコーを生成することで、記録された光のオンデマンド再放射を可能にする。
• 電場を適用して原子遷移の不均一幅広化を調整し、記録・再生プロセスの精密な制御を可能にする。
• 光学ポンピングおよびスペクトルホール焼却を用いて、広い吸収線内に狭いスペクトル特徴（例：200 kHz）を形成し、記録の高精度を向上させる。
• 四重極電極配置を用いて結晶全体に制御可能な電場勾配を生成し、原子アンサンブルのスペクトル応答を動的に制御する。
• エコーパルスの振幅を入力パルスと比較することで再生効率を測定し、実験では最大45％の効率に到達している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定による崩壊を回避しつつ、固体媒体に量子情報を可逆的に記録する方法は何か？
• RQ2 希土類元素イオンドープ結晶における高効率・オンデマンド光エコー量子メモリに必要な材料的要件は何か？
• RQ3 CRIBベースのプロトコルは、単一光子量子状態の高精度な記録・再生を達成できるか？
• RQ4 不均一幅広化を制御するための実験的手法は何か？
• RQ5 光深さやスペクトル線幅といった系のパラメータと、光エコー量子メモリの効率および忠実度のスケーリング関係はどのように変化するか？

主な発見

• CRIBプロトコルにより、ネオブジウムドープ結晶で200 kHzのスペクトル特徴を用いた実験で、最大45％の再生効率を達成し、オンデマンドでの光パルス再放射が可能となった。
• 光エコープロセスは、振幅および位相符号化された情報を含む光学パルス列の記録・再生に成功し、量子情報符号化と整合性を示した。
• 幅広化された遷移で光深さ0.8を達成し、ゼロ電場下では残留する200 kHz線幅がエコー減衰に反映された。
• スペクトルホール焼却と制御された電場により、高精度な量子メモリに適した狭く安定したスペクトル特徴（例：200 kHz）が形成可能となった。
• 古典的データ記録実験では最大1760個の光学パルスの記録が可能であり、量子応用へのスケーラビリティを示唆した。
• 理論的および実験的進展により、CRIBベースの量子メモリがマルチモード記録に拡張可能であり、他のプロトコルと組み合わせることで性能を向上させられると示された。