[論文レビュー] Storage and Retrieval of an Image using Four-Wave Mixing in a Cold Atomic Ensemble

Jinghui Wu, Dong-Sheng Ding+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2012

Quantum optics and atomic interactions被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、電磁誘導透過（EIT）を介して、冷たい原子系における四光子混合（FWM）を用いて、光学的画像の記録と再生を実証した。イデアル光場は、集団スピンダイナミクスと再生時の新しいFWMプロセスの2つのメカニズムによって生成され、ラーモア歳差運動に起因する減衰振動を示す。画像情報は両方の再生光場に保持され、量子画像処理および通信への応用が可能となる。

ABSTRACT

We performed an experiment to observe the storages of an input probe field and an idler field generated through an off-axis four-wave mixing (FWM) process via a double-lambda configuration in a cold atomic ensemble. We analyzed the underlying physics in detail and found that the retrieved idler field came from two parts if there was no single-photon detuning for pump pulse: part 1 was from the collective atomic spin (the input probe field, the coupling field and the pump field combined to generate the idle field through FWM, then the idler was stored through electromagnetically induced transparency.); part 2 was from the generated new FWM process during the retrieval process (the retrieved probe field, the coupling field and the pump field combined to generate a new FWM signal). If there was single-photon detuning for pump pulse, then the retrieved idler was mainly from part 2. The retrieved two fields exhibited damped oscillations with the same oscillatory period when a homogeneous external magnetic field was applied, which was caused by the Larmor spin precession. We also experimentally realized the storage and retrieval of an image of light using FWM for the first time. In which, an image was added into the input signal. After the storage, the retrieved idler beams and input signal carried the same image. This image storage technique holds promises for application in image processing, remote sensing and quantum communication.

研究の動機と目的

• 冷たい原子系における四光子混合（FWM）を用いた光学的画像の記録と再生の検討。
• 単一光子周波数オフセットがない状態における再生されたイデアル光場の二重起源の理解。
• 単一光子周波数オフセットが再生されたイデアル光場への主な寄与をどのように変化させるかの検討。
• 外部磁場がラーモアスピン歳差を介して再生光場に与える影響の分析。
• 冷たい原子系におけるFWMを用いた画像記録と再生の初の実験的実現の提示。

提案手法

• プローブ、カップリング、ポンプ光場間の四光子混合（FWM）を可能にするために、冷たいルビジウム-87原子系に二重λ型エネルギー準位構造を用いた。
• プローブ光場およびイデアル光場を集団的原子スピン状態に記録するために、電磁誘導透過（EIT）を採用した。
• 原子スピンのラーモア歳差を誘発する均一な外部磁場を印加し、再生信号の時間的変動を制御した。
• 記録および再生の両フェーズでFWMを実施し、再生されたプローブ光場がカップリング光場およびポンプ光場と干渉して新たなイデアル信号を生成した。
• 入射プローブ光場に画像を符号化し、再生されたイデアル光場および元の信号光場における忠実度を検証した。
• スピン歳差に起因する減衰振動を観測するために、再生光場の時間発展を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一光子周波数オフセットがない場合に、再生されたイデアル光場の二つの異なる物理的起源は何か？
• RQ2 単一光子周波数オフセットが、二つのイデアル生成メカニズムの相対的寄与にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ラーモアスピン歳差は、再生光場の時間的ダイナミクスにどのような役割を果たすか？
• RQ4 FWMを用いて冷たい原子系で光学的画像を効果的に記録および再生できるか？
• RQ5 再生されたイデアル光場および元の信号光場の両方で画像の忠実度が保持されるか？

主な発見

• 単一光子周波数オフセットがない場合、再生されたイデアル光場は二つの成分から成る：一つは集団的原子スピンダイナミクスに起因し、もう一つは再生段階における新しいFWMプロセスに起因する。
• 単一光子周波数オフセットがある場合、再生されたイデアル光場は主に再生段階における新しいFWMプロセスによって生成される。
• 外部磁場下では、再生されたプローブ光場およびイデアル光場が同じ周期の減衰振動を示し、これはラーモアスピン歳差に起因する。
• 画像はイデアル光場および元の信号光場の両方で効果的に記録および再生され、記録サイクル全体を通じて画像の保持が確認された。
• 本システムは、冷たい原子系におけるFWMを用いた画像記録および再生の初の実験的実現を示した。
• 再生光場に観測された周期的振動は、原子系におけるコherentlyなスピンダイナミクスの兆候を示している。