[논문 리뷰] Phase Locked Photon Echoes for Near-Perfect Retrieval Efficiency and Extended Storage Time

Byoung S. Ham, J. Hahn|ArXiv.org|2009. 11. 19.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 보조 스핀 상태를 사용하여 저장 시간을 연장하고 양자 메모리에서 거의 완벽한 복구 효율을 달성하는 단서화된 광 에코 프로토콜을 제안한다. 재편성 과정을 단서화함으로써 조건부로 멈추게 함으로써 저장 기간이 스핀 비편위 시간까지 연장되며, 이는 프라세오디움 이온 도핑된 Y₂SiO₅에서 실험적으로 입증되었으며, 준위상공명 복구를 통해 고정밀도 양자 영상 저장이 가능하다.

ABSTRACT

Quantum storage of light in a collective ensemble of atoms plays an important role in quantum information processing. Consisting of a quantum repeater together with quantum entanglement swapping, quantum memory has been intensively studied recently. Conventional photon echoes have been limited by extremely low retrieval efficiency and short storage time confined by the optical phase decay process. Here, we report a storage time-extended near perfect photon echo protocol using a phase locking method via an auxiliary spin state, where the phase locking acts as a conditional stopper of the rephasing process resulting in extension of storage time determined by the spin dephasing process. We experimentally prove the proposed phase locked photon echo protocol in a Pr3+ doped Y2SiO5 in a quasi phase conjugate scheme, where the phase conjugate gives the important benefit of aberration corrections when dealing with quantum images.

연구 동기 및 목표

• 광학적 위상 감쇠로 인해 낮은 복구 효율성과 짧은 저장 시간을 겪는 전통적 광 에코의 한계를 해결한다.
• 양자 메모리 시스템에서 높은 복구 효율성과 긴 저장 기간 간의 상충 관계를 극복한다.
• 스핀 비편위 시간을 새로운 시간 척도로 삼아, 기존의 광학적 비편위 한계를 초월해 저장 시간을 연장하는 프로토콜을 개발한다.
• 내재된 왜곡 보정 기능을 지닌 준위상공명 검출을 통해 고정밀도 양자 영상 복구를 가능하게 한다.
• 고체 상태의 희토류 이온 시스템에서 단서화된 광 에코 프로토콜의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 재편성 과정을 조건부로 멈추는 데 사용할 보조 스핀 상태를 도입한다.
• 원자 군의 위상 진화를 보조 스핀 상태와 동기화시켜 단서화된 위상 제어를 구현함으로써 원하는 시점에 재편성 과정을 정지시킨다.
• 에코의 전파 방향을 뒤집는 준위상공명 기반 설계를 사용하여 왜곡 보정을 가능하게 한다.
• 단서화된 시점 조절을 통해 에코 복구 타이밍을 제어함으로써 저장 시간의 한계를 광학적 비편위 시간에서 스핀 비편위 시간으로 이동시킨다.
• 원자 군을 초위상 상태로 준비하고 에코 과정을 시작하며, 보조 상태를 통해 위상 단서화를 수행하는 레이저 펄스 시퀀스를 적용한다.
• 스핀 비편위 시간을 저장 지속 시간의 상한선으로 사용함으로써, 기존의 광학적 비편위 한계를 크게 초월한 장기간의 저장이 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 보조 스핀 상태를 통한 단서화가 광 에코의 저장 시간을 광학적 비편위 시간을 초월해 연장할 수 있는가?
• RQ2 단서화된 광 에코 프로토콜이 고체 상태의 양자 메모리 시스템에서 거의 완벽한 복구 효율성을 달성하는가?
• RQ3 준위상공명 복구 설계가 양자 영상 저장에서 왜곡 보정에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 단서화가 저장된 양자 상태의 품질과 공명성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 프로토콜이 프라세오디움 이온 도핑된 Y₂SiO₅에서 측정 가능한 저장 시간 및 복구 효율 향상으로 실현 가능한가?

주요 결과

• 단서화된 광 에코 프로토콜은 저장 시간을 스핀 비편위 시간까지 연장하여 기존의 광학적 비편위 시간보다 훨씬 길게 한다.
• 단서화에 의한 위상 확산 억제로 인해 거의 완벽한 복구 효율이 달성된다.
• 준위상공명 복구 설계는 내재된 왜곡 보정 기능을 제공하여 이 프로토콜이 양자 영상 저장에 적합함을 보여준다.
• 프라세오디움 이온 도핑된 Y₂SiO₅에서의 실험적 구현은 프로토콜의 실현 가능성과 성능 향상을 확인한다.
• 이 프로토콜은 저장 시간을 광학적 비편위와 분리하여 스핀 공명에 의해만 제한되는 장기적 양자 메모리 운영을 가능하게 한다.
• 보조 스핀 상태를 조건부 멈춤 장치로 사용함으로써 에코 타이밍을 효과적으로 제어하고 메모리의 정밀도를 향상시킨다.