[논문 리뷰] Quantum interface between frequency-uncorrelated down-converted entanglement and atomic-ensemble quantum memory

Xian‐Min Jin, Jian Yang외 16명|arXiv (Cornell University)|2010. 04. 27.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 43인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전자기 유도 투명성(EIT)을 통해 주파수 상관이 없는 자발적 파라메트릭 다운컨버전스(SPDC) 양자 얽힘과 원거리 원자 군집 양자 메모리 사이의 첫 실험적 양자 인터페이스를 구현한다. 이는 자극된 단일 광자를 저장할 때 평균 92%의 품질도를 달성하고, 편광 얽힌 상태를 최대 1 마이크로초 동안 유지하며, CHSH 벨 부등식의 명확한 위반을 보여, 일관된 양자 메모리 작동을 입증한다.

ABSTRACT

Photonic entanglement source and quantum memory are two basic building blocks of linear-optical quantum computation and long-distance quantum communication. In the past decades, intensive researches have been carried out, and remarkable progress, particularly based on the spontaneous parametric down-converted (SPDC) entanglement source and atomic ensembles, has been achieved. Currently, an important task towards scalable quantum information processing (QIP) is to efficiently write and read entanglement generated from a SPDC source into and out of an atomic quantum memory. Here we report the first experimental realization of a quantum interface by building a 5 MHz frequency-uncorrelated SPDC source and reversibly mapping the generated entangled photons into and out of a remote optically thick cold atomic memory using electromagnetically induced transparency. The frequency correlation between the entangled photons is almost fully eliminated with a suitable pump pulse. The storage of a triggered single photon with arbitrary polarization is shown to reach an average fidelity of 92% for 200 ns storage time. Moreover, polarization-entangled photon pairs are prepared, and one of photons is stored in the atomic memory while the other keeps flying. The CHSH Bell's inequality is measured and violation is clearly observed for storage time up to 1 microsecond. This demonstrates the entanglement is stored and survives during the storage. Our work establishes a crucial element to implement scalable all-optical QIP, and thus presents a substantial progress in quantum information science.

연구 동기 및 목표

• 주파수 상관이 없는 SPDC 소스에서 유래한 광자 얽힘과 원거리 원자 군집 양자 메모리 사이의 양자 인터페이스를 구축하기 위해.
• 양자 메모리 통합을 방해하는 SPDC 광자 간 주파수 상관 문제를 극복하기 위해.
• 고품질로 극성 얽힌 광자 쌍의 가역적 저장 및 재현을 가능하게 하기 위해.
• 집합적 원자 상태에서의 저장 동안 양자 얽힘이 유지되는지 확인하기 위해.
• 장수명, 일관된 양자 메모리로 광자 큐비트를 위한 스케일러블 온오픈티컬 양자 정보 처리를 촉진하기 위해.

제안 방법

• 주파수 상관이 없는 SPDC 소스를 생성하기 위해, 스펙트럼 상관을 최소화하기 위해 짧은 펌프 펄스를 사용한다.
• 전자기 유도 투명성(EIT)을 활용하여 광자 큐비트를 냉각된 세슘 원자 군집 내의 집합적 원자 자극 상태로 일관되게 맵핑한다.
• 이중 레일 프로토콜을 사용하여 임의의 편광을 가진 자극된 단일 광자를 원자 메모리에 저장한다.
• 편광 얽힌 광자 쌍을 생성하고, 한 광자는 원자 군집에 저장하고, 다른 한 광자는 원거리에 있는 검출기로 보낸다.
• 저장 후 CHSH 벨 부등식을 측정하여 양자 얽힘의 유지 여부를 확인한다.
• 시간에 따라 해상도를 높이는 검출 기술을 통해 저장된 양자 상태의 고품질 복원 및 특성 분석을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 상관이 없는 SPDC 소스를 EIT를 통해 원자 군집 양자 메모리와 효율적으로 인터페이스화할 수 있는가?
• RQ2 집합적 원자 상태에서 편광 얽힌 상태를 유지할 수 있는 최대 저장 시간은 얼마인가?
• RQ3 메모리 내에서 시간이 지남에 따라 저장된 단일 광자 상태의 품질도가 얼마나 떨어지는가?
• RQ4 광자를 저장한 후 실험적으로 CHSH 벨 부등식 위반이 관측될 수 있는가? 이는 얽힘 유지 여부를 확인하는 데 기여한다.
• RQ5 얽힌 광자 간 스펙트럼 상관이 양자 메모리 운영의 효율성과 품질도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 200 ns의 저장 시간 동안, 임의의 편광을 가진 자극된 단일 광자를 저장하는 데 평균 92%의 품질도를 달성한다.
• 적절하게 형상화된 펌프 펄스를 사용하여 얽힌 광자 간 주파수 상관을 효과적으로 제거함으로써 고품질의 메모리 작동이 가능해진다.
• 편광 얽힌 광자 쌍이 원자 군집에 성공적으로 저장되었으며, CHSH 벨 부등식 위반은 최대 1 마이크로초 동안 지속된다.
• 측정된 벨 파라미터는 고전적 한계를 초월하여, 저장 과정 중에 양자 얽힘이 유지됨을 확인한다.
• 장수명 저장 시간 동안에도 품질도가 높게 유지되어, EIT 기반 양자 메모리의 일관성과 안정성을 입증한다.
• 광자 얽힘과 원자 군집 메모리 사이의 작동 가능한 양자 인터페이스를 구축함으로써, 스케일러블 온오픈티컬 양자 정보 처리를 향한 핵심 단계를 밟는다.