[論文レビュー] Quantum memory for light: large efficiency at telecom wavelength

Julián Dajczgewand, Jean-Louis Le Gouët+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2013

Quantum optics and atomic interactions被引用数 16

ひとこと要約

この論文は、光通信波長帯でルーティン的エコー信号増幅（ROSE）プロトコルを用いて、イッソウドヨットアルミナチド（Er3+:Y2SiO5）に40%の記憶効率を達成した。高効率は偏光、磁場、結晶軸の最適化により実現され、状態準備を回避し、非同一方向ビーム幾何と交差偏光を用いてノイズを抑制した前向きエコー検出を採用している。

ABSTRACT

We implement the ROSE protocol in an erbium doped solid, compatible with the telecom range. The ROSE scheme is an adaptation of the standard 2-pulse photon echo to make it suitable for a quantum memory. We observe an efficiency of 40% in a forward direction by using specific orientations of the light polarizations, magnetic field and crystal axes.

研究の動機と目的

• 光通信対応の量子記憶を実現するため、ルーティン的エコー信号増幅（ROSE）プロトコルをイッソウドヨットアルミナチド（Er3+:Y2SiO5）に適用すること。
• 不良な光学ポンピングダイナミクスやスペクトルホールバーニングの困難さといった、イッソウド固体における課題を克服すること。
• 状態準備を排除し、再位相化パルスに起因するノイズを低減することで、前向き方向に高い記憶効率を達成すること。
• 最大効率を実現するためのビーム、偏光、磁場、結晶軸の最適な配置を同定すること。

提案手法

• 状態準備を必要とせず、人口を逆転させ、コherencesを再位相化する二つの再位相化パルスを用いてROSEプロトコルを適用する。
• 非同一方向でほぼ反対向きのビームと交差偏光を用いることで、強い再位相化パルスとその反射からエコーを分離する。
• 電子スピンのフラクチュエーションを最小限に抑えるために、D1–D2平面内においてD1軸から135°の方向に磁場を整える。
• 光学コherences時間の延長を図るため、結晶を1.8 Kに冷却し、ROSE減衰測定と標準的な2パルスエコー（2PE）シーケンスによる確認で400 μsのコherences時間を達成する。
• 不完全な人口還元（η_pop）と再位相化効率（η_phase）をパrameterとする現象論的モデルを構築し、実験データの定量的フィッティングを可能にする。
• エコー成長と減衰を記述する微分方程式から理論的効率を導出し、デコherencesおよび不完全性を組み込んだ修正式を得る。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ROSEプロトコルは、状態準備やスペクトルホールバーニングを必要とせず、Er3+:Y2SiO5で高い記憶効率を達成できるか？
• RQ2 二色性で異方性を持つY2SiO5において、磁場、結晶軸、ビーム偏光のどの配置が前向きエコー効率を最大にするか？
• RQ3 再位相化パルスの不完全性が測定された記憶効率に与える影響は何か？また、それらを定量的にモデル化できるか？
• RQ4 デコherencesおよびスペクトル拡散は、Er3+:Y2SiO5における利用可能な帯域幅および多重化容量にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ROSE測定で得られたT2（400 μs）と標準的2PE測定で得られたT2（1.4 ms）との差異はなぜ生じるのか？また、メモリ性能にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 実験では、前向き方向に40%の記憶効率を達成し、与えられた構成における理論的上限（54%）に近づいた。
• 最適な構成では、D1–D2平面内においてD1軸から135°の磁場方向を採用し、電子スピンのフラクチュエーションを最小化した。
• 交差偏光と非同一方向ビーム幾何により、再位相化パルスおよびその反射によるエコーの汚染が効果的に抑制された。
• η_pop = 80% および η_phase = 85% を用いた現象論的フィッティングが実験データを正確に再現し、良好な再位相化品質を示した。
• ROSE減衰から測定されたT2は400 μsであり、標準的2PE測定の1.4 msに比べ顕著に短く、即時のスペクトル拡散の存在を示唆している。
• 本結果は、Er3+:Y2SiO5における高効率で光通信帯対応の量子メモリ実現への実用的道筋を示しており、500 MHzの不均一幅を有するため多重化の可能性も示唆している。