[論文レビュー] Quantum interface between frequency-uncorrelated down-converted entanglement and atomic-ensemble quantum memory

Xian‐Min Jin, Jian Yang+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2010

Quantum optics and atomic interactions参考文献 43被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、電磁誘起透過（EIT）を用いて、周波数相関のない自己発光パラメトリック下変換（SPDC）によるもつれと、遠隔に位置する原子集合体量子メモリとの間で、初めての実験的量子インターフェースを実現した。トリガー付き単一光子の平均忠実度は92%に達し、偏光もつれは最大1マイクロ秒間保持され、CHSHベル不等式の明確な破れが観測され、量子メモリの相干的動作が裏付けられた。

ABSTRACT

Photonic entanglement source and quantum memory are two basic building blocks of linear-optical quantum computation and long-distance quantum communication. In the past decades, intensive researches have been carried out, and remarkable progress, particularly based on the spontaneous parametric down-converted (SPDC) entanglement source and atomic ensembles, has been achieved. Currently, an important task towards scalable quantum information processing (QIP) is to efficiently write and read entanglement generated from a SPDC source into and out of an atomic quantum memory. Here we report the first experimental realization of a quantum interface by building a 5 MHz frequency-uncorrelated SPDC source and reversibly mapping the generated entangled photons into and out of a remote optically thick cold atomic memory using electromagnetically induced transparency. The frequency correlation between the entangled photons is almost fully eliminated with a suitable pump pulse. The storage of a triggered single photon with arbitrary polarization is shown to reach an average fidelity of 92% for 200 ns storage time. Moreover, polarization-entangled photon pairs are prepared, and one of photons is stored in the atomic memory while the other keeps flying. The CHSH Bell's inequality is measured and violation is clearly observed for storage time up to 1 microsecond. This demonstrates the entanglement is stored and survives during the storage. Our work establishes a crucial element to implement scalable all-optical QIP, and thus presents a substantial progress in quantum information science.

研究の動機と目的

• 周波数相関のないSPDC源から生じる光子のもつれと、遠隔に位置する原子集合体量子メモリとの間で量子インターフェースを確立すること。
• 量子メモリ統合を妨げるSPDC光子の周波数相関の課題を克服すること。
• 偏光もつれ光子対の高忠実度な逆方向のストレージとリトリーブを可能にすること。
• 集団的原子状態におけるストレージ中に量子もつれが保持されることを実証すること。
• 長寿命で一貫性のある量子メモリを提供することで、スケーラブルな全光量子情報処理を前進させること。

提案手法

• 周波数相関を最小限に抑えるために、短いポンプパルスを用いて5 MHzの周波数相関のないSPDC源を生成する。
• 電磁誘起透過（EIT）を用いて、冷やされたセシウム原子集合体内の集団的原子励起状態に光子の量子ビットを共鳴的にマッピングする。
• 二レール方式を用いて、任意の偏光を持つトリガー付き単一光子を原子メモリにストアする。
• 偏光もつれ光子対を生成し、一方の光子を原子集合体にストアし、他方を遠隔の検出器に送ってベル状態測定を実施する。
• ストレージ後にCHSHベル不等式を測定し、量子もつれの保持を検証する。
• 時間分解能を有する検出方式を用いて、高忠実度のリトリーブとストアされた量子状態の特徴付けを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数相関のないSPDC源を、EITを用いて原子集合体量子メモリと効率的にインターフェース化できるか？
• RQ2 集団的原子状態において、偏光もつれが保持される最大ストレージ時間は何か？
• RQ3 ストレージ時間の経過に伴い、ストアされた単一光子状態の忠実度はどの程度劣化するか？
• RQ4 光子ストレージ後にCHSHベル不等式の破れが実験的に観測できるか、もつれの保持が確認できるか？
• RQ5 もつれ光子間のスペクトル相関は、量子メモリ操作の効率性と忠実度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 200 nsのストレージ時間において、任意の偏光を持つトリガー付き単一光子をストアする平均忠実度が92%に達した。
• 適切に形状を調整したポンプパルスを用いることで、もつれ光子間の周波数相関が効果的に低減され、高忠実度のメモリ動作が可能になった。
• 偏光もつれ光子対が原子集合体に正常にストアされ、CHSHベル不等式の破れが最大1マイクロ秒まで持続した。
• 測定されたベルパラメータは古典的限界を上回り、ストレージ中に量子もつれが保持されていることが確認された。
• 長時間ストレージにおいても忠実度が高く維持されたことから、EITに基づく量子メモリのコherently性と安定性が示された。
• 光子のもつれと原子集合体メモリの間で機能的な量子インターフェースが確立され、スケーラブルな全光量子情報処理への重要な一歩が達成された。