[논문 리뷰] Collective atom phase controls in photon echoes for quantum memory applications I: Population inversion removal

Byoung S. Ham|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 01.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 59인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 광 에코 기반 양자 메모리에서 인version된 인구를 제거하기 위해 집합적 원자 위상 제어 기술을 제안하며, 삼준태계에서 near-unity 에코 효율을 실현한다. 제어된 재위상화 펄스를 적용함으로써, 인version이 필요 없이 고정밀도의 광학-스핀 공명 전환을 달성하며, 기존 광 에코 프로토콜에서 오랫동안 지속된 비효율성 문제를 해결한다.

ABSTRACT

Photon echo-based quantum memories demonstrated in rare-earth doped solids over the last decade have solved the major constraint of population inversion in conventional photon echoes by using collective atom phase controls. Both atomic frequency comb and gradient echoes have also made a breakthrough in higher echo efficiency, where conventional photon echo efficiency remains at a few per cent. Here we review, analyze, and discuss the collective atom phase control applied to conventional photon echoes for quantum memory applications to clarify fundamental physics of coherent transients in a three-level system specifically for optical-spin coherence conversion in a controlled double rephasing echoes. Some critical misunderstandings in various protocols are also analyzed, and corrected for near unity echo efficiency under no population inversion.

연구 동기 및 목표

• 기존 광 에코 양자 메모리에서의 인버전된 인구에 기인한 근본적 제약을 해결하기 위해.
• 희토류 도핑된 고체에서 고효율의 광학-스핀 공명 전환을 가능하게 하기 위해.
• 기존 프로토콜에서 에코 효율성과 공명 제어에 관해 오해의 여지가 있는 점을 명확히 하기 위해.
• 집합적 위상 제어를 통해 인버전된 인구 없이 near-unity 에코 효율을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 삼준태 원자 시스템에서 제어된 이중 재위상화의 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 삼준태계에서 원자 공명을 조작하기 위해 집합적 원자 위상 제어를 적용하기.
• 원자 공명의 제어된 이중 재위상화를 유도하기 위해 두 개의 맞춤형 레이저 펄스를 사용하기.
• 위상 제어된 자극 조건 하에서 희토류 도핑 결정 내의 공명 임펄스를 이론적으로 모델링하기.
• 밀도 행렬 형식을 사용하여 인버전 없이도 에코 효율을 분석하기.
• 제안된 방법을 기존 광 에코 및 원자 주파수 조합 프로토콜과 비교하기.
• 인버전 없이 최적의 에코 형성을 위한 조건을 유도하고 검증하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광 에코 과정에서 인버전된 인구를 제거하면서도 고효율의 에코를 유지하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 집합적 원자 위상 제어는 삼준태계에서 고정밀도 공명 전환을 가능하게 하기 위해 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 기존 프로토콜 중 일부가 잘못된 인버전된 인구 가정으로 인해 에코 효율을 과대평가하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 제어된 재위상화를 통해 인버전 없이 near-unity 에코 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ5 희토류 도핑 고체에서 공명 임펄스 과정의 에코 효율에 대한 기본 물리적 제약은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 방법은 인버전된 인구가 필요 없이 near-unity 에코 효율을 달성하여 기존 광 에코의 주요 제약을 극복한다.
• 집합적 위상 제어를 통해 이중 재위상화가 이루어지면, 인버전된 인구 없이도 고효율 광 에코가 가능하다.
• 이론적 분석을 통해 이전 프로토콜이 에코 효율을 인버전된 인구에 기인한다고 잘못 기인하는 경우가 많음을 밝혀내었으며, 실제로는 공명 제어에 기인한 것이다.
• 제어된 이중 재위상화 펄스는 광학-스핀 공명의 정밀한 조작을 가능하게 하여 기억의 정밀도를 크게 향상시킨다.
• 이 방법은 원자 주파수 조합 및 기울기 에코 기법 모두에 적용 가능하여, 기존 에코의 몇 퍼센트 수준의 효율 한계를 초월하는 효율성을 확보한다.
• 특히 인버전된 인구가 에코 형성에 미치는 역할에 관해 존재하는 양자 메모리 프로토콜에서의 중요한 오해를 바로잡았다.