[논문 리뷰] Frequency-multiplexed image storage and conversion in a cold atomic ensemble

Dong-Sheng Ding, Jinghui Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 05. 12.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 17인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 원자 군집에서 공명 삼각형 전기감마유도 투과성(EMT)을 이용해 다수의 광학적 이미지를 주파수 다중화 방식으로 저장하고 변환하는 것을 보여준다. 서로 다른 파장과 공간 패턴을 가진 두 개의 프로브 필드를 동시에 저장하고, 서로 다른 읽기 레이저를 통해 고효율의 주파수 변환을 가능하게 함으로써, 양자 중첩 상태를 포함한 다모드 양자 메모리의 가능성을 제시한다. 이는 양자 통신 및 영상 기술 분야의 발전에 기여한다.

ABSTRACT

The strong demand for quantum memory, a key building block of quantum network, has inspired new methodologies and led to experimental progress for quantum storage. The use of quantum memory for spatial multimode or image storage could dramatically increase the channel bit-rate. Furthermore, quantum memory that can store multiple optical modes would lead to higher efficiencies in quantum communication and computation. Here, by using resonant tripod electromagnetically induced transparency in a cold atomic ensemble, we experimentally demonstrate multiple probes storage in frequency domain, where two probe fields have discrete wavelengths and different spatial information. In addition, by using different read-light, we realize frequency conversion of retrieved images with high efficiency. Besides, our method could be used to create a superposition of the images by realizing the function of a beamsplitter. All advantages make our method useful in many fields including quantum information, detection, imaging, sensing and even astrophysical observation.

연구 동기 및 목표

• 양자 네트워크와 정보 처리를 확장하기 위해 고용량 양자 메모리가 필요한 요구를 해결한다.
• 단일 모드 저장의 한계를 극복하여 주파수 도메인에서 다모드 이미지 저장을 가능하게 한다.
• 맞춤형 읽기 레이저를 사용해 저장된 이미지의 효율적인 주파수 변환을 달성한다.
• 빔 스플리터 유사 기능을 통해 이미지의 양자 중첩 상태를 생성할 잠재력을 탐색한다.
• 메모리 용량과 유연성의 향상으로 인해 양자 통신, 센서 기술 및 천체관측 분야의 실용적 적용을 가능하게 한다.

제안 방법

• 냉각된 원자 군집에서 공명 삼각형 전기감마유도 투과성(EIT)을 활용해 다수의 광학 모드를 일관적으로 제어한다.
• 서로 다른 이산 파장과 다른 공간 정보를 가진 두 개의 프로브 필드를 동시에 원자 군집에 저장한다.
• 각 저장된 모드에 대해 서로 다른 읽기 레이저를 적용하여 고효율로 출력 주파수를 다른 주파수로 변환해 회수한다.
• 삼각형 EIT 구조에서의 양자 간섭 현상을 활용해 주파수 다중화된 저장 및 선택적 읽기 기능을 실현한다.
• 재생된 이미지를 일관적으로 초월하여 초월하는 방식으로 양자 중첩 상태를 생성하기 위해, 빔 스플리터 유사 기능을 시행한다.
• 냉각된 원자 군집의 긴 공명 시간을 활용해 저장 및 변환 과정 동안 양자 정보를 유지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 다중화를 통해 한 개의 원자 군집에 다수의 광학적 이미지를 동시에 저장할 수 있는가?
• RQ2 맞춤형 읽기 레이저를 사용해 저장된 이미지를 얼마나 효율적으로 다른 주파수로 변환할 수 있는가?
• RQ3 일관적인 조작을 통해 저장된 이미지의 중첩 상태를 얼마나 높은 수준으로 생성할 수 있는가?
• RQ4 주파수 간격과 공간 모드의 가시성 차이가 저장 정밀도와 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 접근 방식은 통신 및 영상 분야의 실용적 양자 메모리 응용으로 확장될 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 서로 다른 파장과 공간 패턴을 가진 두 개의 독립적인 광학적 이미지를 한 개의 냉각된 원자 군집에 성공적으로 저장했다.
• 각 저장된 모드에 대해 서로 다른 읽기 레이저를 사용함으로써, 재생된 이미지의 고효율 주파수 변환이 달성되었다.
• 이 방법은 양자 영역에서 빔 스플리터 유사 기능을 구현한 이미지 중첩 상태를 생성하는 데 성공했다.
• 공명 삼각형 EIT의 사용으로 다수의 주파수 다중화 모드에 대한 일관된 제어와 선택적 접근이 가능했다.
• 냉각된 원자 군집의 긴 공명 시간 덕분에 저장 및 회수 과정에서 높은 정밀도를 유지했다.
• 이 접근 방식은 양자 네트워크와 영상 기술 분야에 적용 가능한 확장 가능한 다모드 양자 메모리의 길을 열어준다.