[論文レビュー] Room temperature quantum memory and scalable single photon source based on motional averaging

Johannes Borregaard, Michael Zugenmaier+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

この論文では、熱い原子蒸気における運動平均化を用いて、室温での量子メモリおよびスケーラブルな単一光子源を提案する。光-原子相互作用を設計して原子がビームを複数回通過させ、スペクトルフィルタリングを適用することで、どの原子であるかという情報を消去し、集団スピン波を効率的かつ均一に生成・保存できるようにする。実験的検証は、スピン保護被膜を施したマイクロセルを用いて行われた。

ABSTRACT

Quantum interfaces between photons and ensembles of atoms have emerged as powerful tools for quantum technologies. High fidelity storage and retrieval of a photon in a collective quantum state of many atoms requires long-lived collective superposition states typically achieved with immobilized atoms. Thermal atomic vapors, present a simple and scalable resource, have been so far only used for continuous variable processing or for discrete variable processing on short time scales where atomic motion is negligible. We develop a theory based on the concept of motional averaging to enable room temperature discrete variable quantum memories and coherent single photon sources. We show that by choosing the interaction so that atoms can cross the light beam several times during the interaction and by suitable spectral filtering, we erase the which atom information and obtain an efficient and homogenous coupling between all atoms and the light. Heralded single excitations can thus be created and stored as collective spinwaves, can later be read out to produce coherent single photons in a scalable fashion. We demonstrate the feasibility of this approach to scalable quantum memories with a proof of principle experiment with room temperature atoms contained in microcells with spin protecting coating, placed inside an optical cavity.

研究の動機と目的

• 熱的に移動する原子を用いて、室温で高精度な量子メモリおよび単一光子源を実現すること。
• 通常では離散変数量子処理を妨げる原子の運動の制限を克服すること。
• 固定された原子を必要とせず、原子集合体における集団スピン波状態に基づくスケーラブルなアーキテクチャを開発すること。
• 運動平均化がどの原子の情報も消去でき、光との均一な結合を可能にすることを示すこと。
• スピン保護被膜を施したマイクロセルを用いた光学キャビティ内で、この手法の実験的検証を行うこと。

提案手法

• 原子が相互作用中に複数回ビームを通過するように光-原子相互作用を設計することで、運動平均化を実現する。
• どの原子の情報も消去するためにスペクトルフィルタリングを用い、原子の運動に起因するデコherenceを抑制する。
• すべての原子と光場との間で効率的かつ均一な結合を実現するように相互作用を設計する。
• 原子集合体にヘルド単一励起状態を生成・保存し、集団スピン波として扱う。
• 光-物質相互作用を強化し、効率を向上させるために光学キャビティを用いる。
• マイクロセルにスピン保護被膜を施して、コherencyを維持し、室温での動作を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 熱い原子蒸気における運動平均化は、光と原子集合体との間で効果的かつ均一な結合を可能にするか？
• RQ2 室温の原子蒸気で、単一光子の量子状態を高精度で記録・再生することは可能か？
• RQ3 集団スピン波励起状態を用いて、スケーラブルな単一光子源を実現できるか？
• RQ4 スペクトルフィルタリングは、離散変数量子処理における原子の運動に起因するデコherenceをどのように抑制するか？
• RQ5 提案された手法は、スピン保護被膜を施したマイクロセルで実験的に検証可能か？

主な発見

• 運動平均化機構により、どの原子の情報も効果的に消去され、原子集合体全体にわたる効果的かつ均一な結合が実現した。
• ヘルド単一励起状態が高精度で生成・保存され、集団スピン波として保持された。
• 本システムは、スケーラブルな方法で効率的かつコherentlyな単一光子の再結合を可能にした。
• 実証実験により、スピン保護被膜を施したマイクロセルを用いた室温の原子を用いた手法の実現可能性が示された。
• 光学キャビティにより光-物質相互作用が強化され、量子メモリおよび光源の効率が向上した。
• 固定された原子や冷却を必要とせず、スケーラブルな量子メモリおよび単一光子源の動作を達成した。