[논문 리뷰] A Single-Photon-compatible Telecom-C-Band Quantum Memory in a Hot Atomic Gas

S. E. Thomas, S. Sagona-Stophel외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 08.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 뜨거운 87Rb 기체에서 비공진성 연쇄 흡수(ORCA)를 사용하여 통신 C밴드 빛을 위한 단일 광자 호환성 양자 메모리를 제시한다. 신호 대 잡음비(SNR)가 1.9×10⁴인 1개 미만의 광자 입력에서 기록적인 낮은 잡음 수준을 달성하였으며, SNR = 1에 도달하기 위한 최소 입력 평균 광자 수는 펄스당 4.5(6)×10⁻⁶이며, 총 메모리 효율은 20.90(1)%를 유지하고, 도플러 제한된 저장 시간은 1.10(2) ns이다.

ABSTRACT

The efficient storage and on-demand retrieval of quantum optical states that are compatible with the telecommunications C-band is a requirement for future terrestrial-based quantum optical networking. Spectrum in the C-band minimises optical fiber-propagation losses, and broad optical bandwidth facilitates high-speed networking protocols. Here we report on a telecommunication wavelength and bandwidth compatible quantum memory. Using the Off-Resonant Cascaded Absorption protocol in hot $^{87}$Rb vapour, we demonstrate a total memory efficiency of $20.90(1)\,\%$ with a Doppler-limited storage time of $1.10(2)\,$ns. We characterise the memory performance with weak coherent states, demonstrating signal-to-noise ratios greater than unity for mean photon number inputs above $4.5(6) imes10^{-6}$ per pulse.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능하고 실온에서 작동하는 플랫폼에서 고효율, 저잡음 통신 C밴드 빛을 위한 양자 메모리의 실현을 목표로 한다.
• 기존의 통신 C밴드 양자 메모리의 한계, 즉 높은 배경 잡음, 냉각 필요성, 또는 복잡한 주파수 변환을 극복하는 것을 목표로 한다.
• 뜨거운 원자 기체에서 잡음이 없는 프로토콜을 사용하여 광대역, 즉각적 작동이 가능한 양자 메모리에서 단일 광자 호환성을 입증하는 것을 목표로 한다.
• 매 펄스당 10⁻⁵ 이하의 평균 광자 수를 가진 약한 코herent 상태에 대해 고_SIGNAL_TO_NOISE_RATIO를 달성하는 것을 목표로 한다.
• 기존의 섬섬 기반 양자 네트워크와 단일 광자 소스에 호환되는 실용적이고 고대역폭 솔루션을 제공하는 것을 목표로 한다.

제안 방법

• ORCA 프로토콜은 87Rb 기체에서 계단형 원자 전이에 대해 두 개의 반대 방향으로 진행하는 광학장이 이중 광자 공진 조건에 맞추어 조정된다.
• 제어 펄스는 넓은 가상 상태를 생성하여 신호 펄스의 효율적이고 일관된 흡수를 가능하게 하며, 이를 통해 집단적 원자 흥 excitations로의 전환을 이룬다.
• 메모리 상태는 기저 상태에 인구가 없는 双중 흥 excitations 상태이며, 이는 자발적 방출 잡음을 제거하고 내재된 잡음 없는 작동을 가능하게 한다.
• 변동 가능한 저장 시간 후에 두 번째 제어 펄스를 통해 신호를 즉각적으로 복원할 수 있어 전체 메모리 사이클 제어가 가능하다.
• 잡음은 약한 코herent 상태를 사용하여 특성화되며, 신호 대 잡음비는 SNR = 1에 도달하기 위한 최소 입력 광자 수를 결정하기 위해 측정된다.
• 메모리 효율은 읽기 입력 및 읽기 출력 효율의 곱으로 계산되며, 총 효율은 20.90(1)%에 도달한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 뜨거운 원자 기체에서 단일 광자 수준 성능과 최소한의 잡음을 가진 통신 C밴드 양자 메모리를 실현할 수 있는가?
• RQ2 광대역, 즉각적 작동이 가능한 양자 메모리에서 신호 대 잡음비(SNR) = 1에 도달하기 위해 필요한 최소 평균 광자 수는 얼마인가?
• RQ3 뜨거운 87Rb 기체에서 ORCA 프로토콜이 다른 양자 메모리 플랫폼에 비해 잡음, 효율성, 대역폭 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 ORCA 프로토콜은 기존의 통신 섬섬 네트워크와 단일 광자 소스에 호환되면서도 고효율 메모리 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ5 도플러로 넓어진 뜨거운 원자 기체에서 ORCA를 사용할 경우, 저장 시간과 잡음 성능의 기본 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 총 메모리 효율은 20.90(1)%에 도달하였으며, 도플러 제한된 저장 시간은 1.10(2) ns이다.
• 입력 평균 광자 수가 펄스당 0.084일 때, 신호 대 잡음비는 1.9(1)×10⁴로 측정되었다.
• SNR = 1에 도달하기 위해 필요한 최소 입력 평균 광자 수는 펄스당 4.5(6)×10⁻⁶이며, 이는 이전 ORCA 시연 대비 10배 향상된 성능이다.
• 복원된 단일 광자 제2차 상관관계는 g²(out) = 9(1)×10⁻⁶로 측정되어 거의 이상적인 단일 광자 특성을 나타낸다.
• 단일 광자 저장에 대한 출력 품질은 약 99.9996%로 추정되어 고정밀도 양자 상태 유지가 가능함을 보여준다.
• 메모리는 GHz 대역폭에서 작동하며, 파라메트릭 다운-컨버전 및 InGaAs 양자 점 소스와 호환된다.