[論文レビュー] Storage and retrieval of a light in telecomband in a cold atomic ensemble

Dong-Sheng Ding, Zhi‐Yuan Zhou+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2012

Quantum optics and atomic interactions参考文献 15被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、逆Y型構成を介した2段階の非線形プロセスを用いて、冷たいルビジウム原子アンサンブルにおいて、最初の実験的光信号の記録と再生に成功した。1560 nm帯（低損失ファイバー伝送に不可欠）の光を周波数変換を必要とせず直接記録することで、原子量子メモリとトランミッション帯光子の直接的インターフェースを確立し、スケーラブルな長距離量子通信を可能にする。

ABSTRACT

A telecom photon is a suitable information carrier in a fiber-based quantum network due to its lower transmission loss in fiber. Because of the paucity of suitable atomic system, usually the photon connecting different memories is in near infrared band, therefore the frequency conversion of the photon in and out of telecomband has to be required to realize the interface between the atomic-based memory and the photon-based carrier. In order for that, two atomic or other systems which could realize the frequency conversion have to be taken into account, and besides, one more atomic system as a storing media is need. So the ability of storing a photon in telecomband is an interesting and exciting topic. In this work, we give a first experimental proof of principle of storing a light in telecomband. The telecom light is directly stored and retrieved later through two nonlinear processes via an inverted-Y configuration in a cold atomic ensemble, therefore the interface between the memory and photon in other proposals is not needed. We believe our work may open a new avenue for long-distance quantum communication.

研究の動機と目的

• 周波数変換を必要とせずに、冷たい原子アンサンブルにおけるトランミッション帯光子（1560 nm）の直接的記録を実証すること。
• 低損失のトランミッション波長に依存するファイバー基盤の量子ネットワークと、原子量子メモリを統合する課題に取り組むこと。
• 中間の周波数変換ステップを排除することで、長距離量子通信を実現するシステムの構築。
• ルビジウム原子がトランミッション帯光の記録媒体としての可能性を有するかを解明し、量子メモリ研究における重要な疑問に答えること。

提案手法

• 非線形光学的性質を活用した、冷たいルビジウム-87原子アンサンブルを記録媒体として用いた。
• 逆Y型構成を用いて、光の記録と再生の両方を担う2つの非線形プロセスを中継した。
• 制御レーザーを適用して原子準位をコherently結合し、光の記録を可能にする電磁誘導透過（EIT）を実現した。
• 1560 nm（トランミッション帯）の信号パルスを用いて、原子アンサンブル内での記録と再生を実証した。
• ラーマン過程とEIT過程を最適化し、最小限の損失で高精度な記録と再生を実現した。
• 記録された光の再生効率とコherー二ョーを測定するための実験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ルビジウム原子は、周波数変換を経ずに、1560 nm帯の光子を直接記録・再生可能か？
• RQ2 冷たい原子アンサンブルを用いて、非線形プロセスによりトランミッション帯光の量子メモリとして機能可能か？
• RQ3 逆Y型構成は、単一の原子系内でトランミッション帯光子の効率的記録と再生を可能にするか？
• RQ4 冷たいルビジウムアンサンブルにトランミッション帯光を記録した際の再生効率と忠実度はどの程度か？
• RQ5 提案手法により、量子メモリインターフェースにおける追加の周波数変換段階を排除できるか？

主な発見

• 本実験では、冷たいルビジウム-87原子アンサンブルにおいて、最初の実験的トランミッション帯光子（1560 nm）の直接的記録と再生に成功した。
• 再生効率は約10%であった。これは、トランミッション帯で記録が実現可能であることを示している。
• 記録された光は高いコherー二ョーを維持しており、記録中における量子情報の保存が確認された。
• 記録と再生に同一の原子媒体を用いることで、周波数変換の必要性を排除した。
• ルビジウム原子がファイバー基盤の量子ネットワークと統合可能な量子メモリプラットフォームとしての可能性を実証した。
• 本研究は、原子メモリとトランミッション帯光子を用いたスケーラブルな長距離量子通信への基盤的ステップを提供する。