[論文レビュー] Quantum Memory and Optical Transistor Based on Electromagnetically Induced Transparency in Optical Cavities

R. R. Oliveira, H. S. Borges+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2016

Quantum optics and atomic interactions被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、高 finesse の光学キャビティ内に閉じ込められた1つの原子を用いて、電磁誘導透過（EIT）を介して高効率な量子メモリおよび光トランジスタを実装する理論的枠組みを提案する。Λ型の三準位系における光子量子ビット状態の断熱的転送を活用することで、単一側面キャビティではほぼ100％の量子メモリ効率を達成可能であるのに対し、対称的な二側面キャビティでは100％の対比を示す理想的な光トランジスタ動作が可能であるが、この場合のメモリ効率は50％に制限される。

ABSTRACT

We theoretically studied the implementation of a quantum memory and an optical transistor in a system composed by a single atom trapped inside a high finesse cavity. In order to store and map the quantum state of an input pulse onto internal states of the single atom (quantum memory) we employ the electromagnetically induced transparency (EIT) phenomenon (which can work out as an optical transistor) where the information can be transferred to the dark state of the atom modelled by a three-level system in a Λ-type configuration. In our model we consider a suitable temporal shape for the control field that ensures the adiabaticity of the storage process and retrieval of the probe pulse. The dynamic of the field inside the cavity was obtained by master equation approach, while the outside field was calculated by input-output formalism. We have analysed two different setups: i) two-sided and ii) single-sided cavities. While the first setup is the most appropriate and commonly used to observe cavity-EIT in the transmission spectrum, thus the best configuration for the optical transistor, the maximum quantum memory efficiency can not reach reasonable values, being limited to 50% for symmetric cavities. On the other hand, with single-sided cavity the quantum memory efficiency increases considerably and can reach values close to 100% in the strong atom-field coupling regime. However this specific setup is not favourable to observe the cavity-EIT effect in the transmission spectrum and then it is not appropriate to control the transmission of light pulses.

研究の動機と目的

• 高精度な量子メモリおよび光トランジスタの理論的モデルを、光学キャビティ内に閉じ込められた1つの捕獲原子を用いて開発すること。
• キャビティの鏡の反射率（二側面対比して単一側面）が量子メモリ効率および光トランジスタ性能に与える影響を調査すること。
• 断熱的条件下での原子-場結合および制御場のダイナミクスを最適化することで、メモリ効率を向上させること。
• EITを用いた光の透過制御および状態のコherentなマッピングを最大化する条件を特定すること。
• キャビティQED系において、高効率な量子メモリと効果的な光トランジスタ機能の間のトレードオフを解消すること。

提案手法

• 原子を単一モードの光学キャビティに結合されたΛ型三準位系としてモデル化し、内部ダイナミクスを記述するためマスター方程式を用いる。
• 外部場の振幅（反射および透過成分を含む）を計算するために、入出力形式を適用する。
• プローブパルスを原子のダーク状態にコherentにマッピングするために、時間的プロファイルを最適化した断熱的制御場を用いる。
• 性能を比較するために、対称的および非対称な二側面キャビティと単一側面キャビティの2種類のキャビティ構成を分析する。
• 単一側面キャビティにおける完全な光散乱および出力場がゼロになる条件を特定するため、有効減衰率 γ = g²/Γ₃₁ を導出する。
• 原子-場結合強度 g とキャビティ減衰率 κ を変化させた数値シミュレーションを実施し、完全な散乱および出力ゼロとなる条件 g ≈ 0.8κ を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高フィネスのキャビティ内に閉じ込められた1原子系が、EITを用いてほぼ100％の量子メモリ効率を達成できるか？
• RQ2 キャビティ鏡の非対称性が、量子メモリ効率と光トランジスタ対比のトレードオフに与える影響は何か？
• RQ3 高精度な量子メモリと高対比の光トランジスタ動作を両立させる最適な構成は何か？
• RQ4 原子-キャビティ系が入射光を完全に散乱し、出力場がゼロになる条件は何か？
• RQ5 単一側面キャビティにおいて、位相測定を用いて反射場と透過場を区別し、EIT効果を観測できるか？

主な発見

• 単一側面キャビティでは、強い原子-場結合領域において、量子メモリ効率がほぼ100％に達するため、量子メモリ用途に最適である。
• 対称的二側面キャビティでは、強い結合条件下で制御場のオン・オフ状態間で100％の透過対比が達成され、理想的なスイッチング動作が可能である。
• 対称的二側面キャビティにおける最大量子メモリ効率は、鏡の反射率が対称であるため、結合強度にかかわらず50％に制限される。
• 非対称二側面キャビティ（先行研究で用いられた構成）では、メモリ効率が約8.5％に制限され、実用的な量子メモリとして不適切である。
• 完全なプローブ光の散乱（出力場ゼロ）は、γ = κ のとき発生し、γ = g²/Γ₃₁ が有効減衰率である。
• 完全な散乱の条件 g ≈ 0.8κ は、定常解による解析的検証および数値シミュレーションの両方で確認されており、モデルでは Γ₃₁ = 0.6κ を仮定している。