[논문 리뷰] Entanglement of light-shift compensated atomic spin waves with telecom light

Y. O. Dudin, A. G. Radnaev외 4명|arXiv (Cornell University)|2010. 09. 21.

Quantum Information and Cryptography인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 1064 nm 광학 격자에서 795 nm 빛 편광 큐비트와 장수명의 원자 스핀웨이브 메모리 큐비트 사이의 얽힘이 입증되었으며, 자기장 보정과 이중광자 빛 이완 보상으로 인해 위상변위가 억제된다. 얽힘은 통신대역(1367 nm) 파장으로의 변환과 섬유 전송을 통해 유지되며, 0.1 초 저장 시간에서 벨 부등식 위반(S = 2.65 ± 0.12)으로 확인된다.

ABSTRACT

Entanglement of a 795 nm light polarization qubit and an atomic Rb spin wave qubit for a storage time of 0.1 s is observed by measuring the violation of Bell's inequality (S = 2.65 \pm 0.12). Long qubit storage times are achieved by pinning the spin wave in a 1064 nm wavelength optical lattice, with a magic-valued magnetic field superposed to eliminate lattice-induced dephasing. Four-wave mixing in a cold Rb gas is employed to perform light qubit conversion between near infra red (795 nm) and telecom (1367 nm) wavelengths, and after propagation in a telecom fiber, to invert the conversion process. Observed Bell inequality violation (S = 2.66 \pm 0.09), at 10 ms storage, confirms preservation of memory/light entanglement through the two stages of light qubit frequency conversion.

연구 동기 및 목표

• 광학 격자 내에서 원자 스핀웨이브의 위상변위로부터 안정화함으로써 양자 네트워크를 위한 장수명 양자 메모리 기술을 실현하기 위해.
• 795 nm와 1367 nm 사이의 저손실·고정밀도 파장 변환을 가능하게 하여 원자 메모리 큐비트와 섬유 기반 통신대역 네트워크 간의 호환성을 확보하기 위해.
• 이중단계 주파수 변환과 섬유 전파를 통해 메모리 큐비트와 통신대역 빛 큐비트 사이의 얽힘을 유지하기 위해.
• 마법의 자기장과 이중광자 보상 기법을 사용하여 비균일한 ac-스터크 이완을 제거함으로써 원자 스핀웨이브 큐비트의 저장 시간을 10 ms 이상 연장하기 위해.

제안 방법

• 1064 nm 파장의 1차원 광학 격자를 사용하여 87Rb 원자를 국소화함으로써 운동에 의한 위상변위를 감소시키고 장수명 저장을 가능하게 한다.
• 이중광자 빛 이완 보상 기법을 통해 비균일한 ac-스터크 이완을 상쇄시키기 위해 자기장을 적용하여 시계 상태 큐비트의 안정성을 확보한다.
• 코herent 냉각된 Rb 기체에서의 4파동 혼합을 통해, 연속 전이(예: e→d 및 a↔c)를 이용하여 795 nm(NIR)와 1367 nm(통신대역) 사이의 효율적이고 편광 안정성 유지가 가능한 파장 변환을 실현한다.
• 신호 필드를 H- 및 V-편광 성분으로 분리하고, V-성분을 235 ns 지연시켜 변환 과정에서 시간적 오버랩을 유지한다.
• 편광 분리기와 파라졸리터를 이용한 간섭계 구조를 통해 편광 상태를 안정화시켜, 파장 변환과 섬유 전송 중에 양자 상관관계를 유지한다.
• 회수 후 벨 부등식 위반(S) 측정을 통해 얽힘 유지 여부를 확인하며, Si 및 InGaAs/InP 단광자 검출기를 사용하여 검출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 1D 광학 격자에서 795 nm 빛 큐비트와 얽힌 원자 스핀웨이브 큐비트가 0.1 초 이상 저장 가능할 수 있는가?
• RQ2 NIR에서 통신대역으로의 이중단계 파장 변환과 100 m 섬유 전파를 거친 후에도 메모리 큐비트와 통신대역 빛 큐비트 사이의 얽힘이 유지되는가?
• RQ3 광학 격자 내에서 빛 이완에 의한 위상변위를 효과적으로 보정하여 메모리의 양자 보존 시간을 연장할 수 있는가?
• RQ4 이 하이브리드 시스템을 사용하여 통신대역 필드 큐비트와 얽힌 스핀웨이브 큐비트의 최대 저장 시간은 얼마인가?
• RQ5 실제 네트워크 환경에서 파장 변환과 섬유 전송 동안 편광 상태 유지 정밀도는 어떻게 평가되는가?

주요 결과

• 795 nm 빛 큐비트와 원자 스핀웨이브 큐비트 사이의 얽힘은 S = 2.65 ± 0.12의 벨 부등식 위반 측정을 통해 최대 0.1 초 동안 유지됨을 확인하였다.
• 저장 시간은 트랩 축 방향의 원자 운동에 의해 제한되며, 이는 2D 또는 3D 광학 격자를 사용할 경우 보다 긴 보존 시간을 기대할 수 있음을 시사한다.
• 1367 nm로의 파장 변환과 100 m 통신대역 섬유 전파 후, 10 ms 저장 시간에서 S = 2.66 ± 0.09로 얽힘 유지됨을 확인하였다.
• 파장 변환 과정에서 H- 및 V-편광 성분에 대해 각각 54%의 변환 효율을 달성하였으며, 이는 2일 간의 시간 동안도 편광 안정성이 유지됨을 의미한다.
• 입력에서 최종 검출까지의 총 전송 효율은 7.5(5)%로 측정되었으며, 주로 수동 손실과 섬유 커플링에 의해 결정되며, 편광 무늬에 대한 유의미한 드리프트는 관측되지 않았다.
• 측정된 상관관계 함수 E(θs, θi)는 각도에 따라 사인함수적 의존성을 보이며, 양자 얽힘과 일치하는 바, 1 μs 및 10 ms 저장 시간 모두에서 S 값이 고전적 한계(S > 2)를 초과한다.