[논문 리뷰] A room-temperature noise-free quantum memory for broadband light

K. T. Kaczmarek, Patrick M. Ledingham외 10명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 31.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 따뜻한 원자 증기에서 이광자 비공진 연쇄 흡수(ORCA)를 기반으로 한 노이즈 없는 양자 메모리 프로토콜을 제안하며, 추가 노이즈 없이 GHz 대역폭의 허리티지 단일 광자를 저장하고 즉시 회수할 수 있도록 한다. 주요 결과는 실험적으로 확인된 광자의 통계가 그대로 유지됨을 보여주며, 확장 가능한 광자 양자 네트워크에 필수적인 내재적 노이즈 없는 작동 방식임을 입증한다.

ABSTRACT

Quantum networks promise to revolutionise computing, simulation, and communication. Light is the ideal information carrier for quantum networks, as its properties are not degraded by noise in ambient conditions, and it can support large bandwidths enabling fast operations and a large information capacity. Quantum memories, devices that store, manipulate, and release on demand quantum light, have been identified as critical components of photonic quantum networks, because they facilitate scalability. However, any noise introduced by the memory can render the device classical by destroying the quantum character of the light. Here we introduce an intrinsically noise-free memory protocol based on two-photon off-resonant cascaded absorption (ORCA). We consequently demonstrate for the first time successful storage of GHz-bandwidth heralded single photons in a warm atomic vapour with no added noise; confirmed by the unaltered photon statistics upon recall. Our ORCA memory platform meets the stringent noise-requirements for quantum memories whilst offering technical simplicity and high-speed operation, and therefore is immediately applicable to low-latency quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 저장된 빛의 양자 양상이 파괴될 수 있는 양자 메모리의 노이즈 문제를 해결한다.
• 냉각이 필요 없고 복잡한 오류 보정이 불필요한 실온에서 작동하며 내재적 노이즈 억제 기능을 갖춘 양자 메모리 프로토콜을 개발한다.
• 실용적인 광자 양자 네트워크를 위해 고대역폭, 고속의 양자 빛의 저장 및 회수를 가능하게 한다.
• 저장 및 회수 후 광자의 통계가 변화하지 않음을 입증하여 추가 노이즈가 없는 것을 확인한다.
• 저지연 시간 양자 통신 시스템에 양자 메모리를 통합하기 위한 기술적으로 단순하고 확장 가능한 플랫폼을 제공한다.

제안 방법

• 따뜻한 원자 증기에서 간섭 없이 노이즈 없는 빛 저장을 가능하게 하는 이광자 비공진 연쇄 흡수(ORCA) 프로토콜을 구현한다.
• 두 번의 광자 전이를 연쇄적으로 이용하여 입력 빛과 원자 시스템 간에 강한 상호작용을 유도하며, 장수명의 자극 상태를 점유하지 않는다.
• 실온에서 작동할 수 있도록 루비듐 원자 증기를 저장 매체로 사용하여 냉각 장치가 필요 없도록 한다.
• 실제 양자 통신 조건에서 성능을 시험하기 위해 몇 GHz의 대역폭을 갖는 허리티지 단일 광자를 사용한다.
• 제어 필드를 적용하여 광자 자극을 장수명의 원자 초위상 상태로 일관적으로 전달하여 저장한다.
• 제어 필드 순서를 반대로 적용하여 즉시 회수를 구현하며, 추가 노이즈 없이 저장된 양자 상태를 방출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저장 및 회수 과정에서 추가 노이즈를 유발하지 않는 실온 양자 메모리를 설계할 수 있는가?
• RQ2 ORCA 프로토콜이 따뜻한 원자 증기에서 광대역 단일 광자를 노이즈 없이 저장할 수 있는가?
• RQ3 입력 빛의 양자적 성격이 저장 및 회수 후에도 유지되는 정도는 어떠한가? 광자 통계로 이를 입증할 수 있는가?
• RQ4 ORCA 메모리는 실세계 양자 네트워크에 적합한 고속 작동 및 확장성 확보가 가능한가?
• RQ5 ORCA 플랫폼의 기술적 단순성은 저지연 시간 양자 통신 시스템에서의 실용적 구현에 충분한가?

주요 결과

• ORCA 기반 양자 메모리는 추가 노이즈 없이 GHz 대역폭의 허리티지 단일 광자를 성공적으로 저장하고 회수하였다.
• 회수 시 광자 통계가 그대로 유지되어 빛의 양자적 성격이 보존되었고, 추가 노이즈가 없는 것을 확인하였다.
• 메모리는 실온에서 작동하여 냉각 장치가 필요 없으며, 기술적 실현 가능성 향상에 기여하였다.
• 플랫폼는 고속 작동을 보이며, 저지연 시간 양자 네트워크에 적합하다.
• ORCA 프로토콜의 내재적 노이즈 없는 특성 덕분에 확장 가능한 광자 양자 네트워크에 매우 유망한 후보로 평가된다.
• 실험 결과는 비공진 연쇄 흡수 이론적 프레임워크가 노이즈 없는 양자 메모리의 실현 가능 길임을 검증하였다.