[논문 리뷰] Atom phase controlled noise-free photon echoes

Byoung S. Ham|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 28.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 21인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 인버전을 방지하기 위해 탈피를 통한 원자 위상 제어를 사용하는 노이즈 없는 광파동 에코 프로토콜을 제안한다. 이는 인버전을 제거함으로써 근사적으로 완벽한 복구 효율성과 연장된 저장 시간을 갖는 양자 메모리 응용을 가능하게 한다. 정밀한 원자 위상 상태 제어를 통해 양자 노이즈를 억제하면서도 높은 정밀도의 광학 정보 복구를 유지한다.

ABSTRACT

Rephasing in photon echoes is a fundamental mechanism of retrieving optical information stored in a collective ensemble of atoms or ions. With an extremely weak quantum optical data, population inversion by the rephasing process is inevitable resulting in serious quantum noise. Here, an inversion-free rephasing method in photon echoes is presented by using deshelving-based atom phase control. The present method makes photon echoes directly applicable to quantum memories with benefits of extended photon storage time and nearly perfect retrieval efficiency. In this revised version only the rephasing pulse propagation direction is corrected to make a silent echo of E1 in Fig. 1.

연구 동기 및 목표

• 재조정 과정에서 인버전으로 인한 양자 노이즈 문제로 인해 기존 광파동 에코 시스템의 근본적 과제를 해결한다.
• 기존의 광파동 에코가 양자 메모리 응용에서 노이즈로 인해 성능이 떨어지는 제한점을 극복한다.
• 인버전을 피하면서도 높은 복구 효율성을 유지하는 재조정 메커니즘을 개발한다.
• 장기 저장 시간과 거의 이상적인 정밀도를 갖춘 실용적이고 확장 가능한 양자 메모리 시스템을 가능하게 한다.
• 침묵하는 노이즈 없는 에코 방출을 달성하기 위해 원자 위상 상태를 제어하는 새로운 방법을 제시한다.

제안 방법

• 인버전을 유도하지 않고 원자 군집의 양자 상태를 조작하기 위해 탈피 기반 원자 위상 제어를 사용한다.
• 이중준위 원자 시스템을 사용하며, 광학 펌프와 선택적 자극을 통해 원자 공명 위상 제어를 수행한다.
• 재조정 펄스 전파 방향을 제어하여 자발적 방출과 노이즈를 억제함으로써 침묵하는 에코를 확보한다.
• 집합적 원자 공명을 기반으로 높은 정밀도로 광학 정보를 저장하고 복구한다.
• 원자 인버전 없이 위상 제어와 재조정을 달성하기 위해 특수 설계된 레이저 펄스 시퀀스를 적용한다.
• 최종 버전에서 재조정 펄스 전파 방향을 수정하여 불필요한 에코 성분을 제거하였으며, 그 결과는 그림 1에 나타나 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인버전 없이 광파동 에코를 생성하여 양자 노이즈를 제거할 수 있는가?
• RQ2 원자 위상 제어는 재조정 과정에서 자발적 방출과 노이즈를 어떻게 억제할 수 있는가?
• RQ3 탈피 기반 위상 제어는 에코 복구 효율성과 저장 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 높은 정밀도의 광학 정보 복구를 유지하면서도 노이즈 없는 광파동 에코를 달성할 수 있는가?
• RQ5 재조정 펄스 전파 방향 제어가 에코 품질과 노이즈 억제에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 방법은 재조정 과정에서 인버전을 성공적으로 제거함으로써 기존 광파동 에코에 내재된 양자 노이즈를 억제한다.
• 수정된 버전의 그림 1에 따라 재조정 펄스 전파 방향을 수정함으로써 침묵하는 에코를 달성하였다.
• 인버전으로 인한 노이즈가 없기 때문에 거의 완벽한 복구 효율성이 가능해졌다.
• 노이즈 없는 메커니즘이 공명을 더 오랜 기간 유지하므로 장기 광파동 저장이 가능해졌다.
• 탈피 기반 위상 제어 덕분에 향상된 성능 지표를 갖춘 양자 메모리에 직접 적용 가능하다.
• 집합적 원자 군집을 활용한 확장 가능하고 고정밀도의 양자 메모리로 향하는 실현 가능한 길을 제시하였다.