[論文レビュー] Analysis of controlled coherence conversion in a double rephasing scheme of photon echoes for quantum memories

Rahmatullah Rahmatullah, Byoung S. Ham|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Quantum optics and atomic interactions被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、制御されたコherences変換（CCC）を用いて、量子メモリにおける逆転を必要としない光子エコーを実現する、制御された二重再番号付け（CDR）光子エコー方式を提案する。励起状態と補助基底状態の間での光的ラビフロッピングを用いることで、原子の位相を制御し、二重再位相化方式において固有の吸収的エコーを反転させることで、コherencesの保存を著しく向上させ、逆転を要しない堅牢でスケーラブルな量子メモリ動作を可能にする。

ABSTRACT

A controlled double rephasing (CDR) photon echo is analyzed for inversion-free photon echoes using controlled coherence conversion (CCC), where an optical Rabi flopping between an excited and an auxiliary ground states is used for atom phase control for emissive photon echoes. Unlike the rephasing mechanism in photon echoes, the CCC induces coherence inversion to the intrinsic absorptive echoes in a double rephasing scheme. Thus, the CDR echo protocol can be vastly applied for modified photon-echo quantum memories.

研究の動機と目的

• 従来の光子エコー方式における主な制限要因である人口逆転を回避する量子メモリプロトコルの開発を目的とする。
• 補助基底状態を用いた制御されたコherences変換（CCC）機構を導入することで、光子エコーにおける位相制御の課題に取り組む。
• 光的ラビフロッピングによる位相工学を用いて、堅牢で高精度の光子エコー生成を実現する。
• 二重再位相化方式におけるコherencesの反転が、エコー効率の向上と量子メモリ応用における損失低減に寄与することを示す。
• 制御された原子位相操作を用いたスケーラブルで逆転を要しない量子メモリアーキテクチャの実現可能性を検討する。

提案手法

• 二つの制御パルスが原子コherencesを再位相化することで光子エコーを生成する二重再位相化方式を用いる。
• 励起状態と補助基底状態の間の光的ラビフロッピングを用いて、原子位相を操作する制御されたコherences変換（CCC）機構を導入する。
• CCCを用いて固有の吸収的エコーを反転させ、人口逆転を要せず、ネット効果として発光的エコーを生成する。
• 制御場を用いてコherentlyな遷移を実現し、発光エコーの位相を制御する三準位原子系を採用する。
• エコー振幅と位相がラビ周波数およびタイミングにどのように依存するかを分析し、エコー効率を最適化する。
• 密度行列形式を用いて系をモデル化し、コherencesの時間発展およびエコー形成のダイナミクスをシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御されたコherences変換は、人口逆転を要せず、二重再位相化方式において吸収的エコーをどのように反転させることができるか？
• RQ2 補助基底状態は、光子エコーにおける位相制御およびコherences管理に果たす役割は何か？
• RQ3 励起状態と補助状態の間のラビフロッピングは、エコー振幅および忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 CDRプロトコルは、従来の光子エコー方式と比較して、より高いエコー効率を達成できるか？
• RQ5 CDRエコーがデコherenceおよび位相崩壊に対して頑健となる条件は何か？

主な発見

• 制御されたコherences変換（CCC）により、固有の吸収的エコーが効果的に反転され、人口逆転を要せず発光的エコーに変換される。
• CCCを用いた二重再位相化方式では、コherencesの位相制御と吸収損失の低減により、エコー振幅が顕著に向上する。
• 補助状態遷移におけるラビ周波数およびパルスタイミングの精密な制御により、位相崩壊に対して高い頑健性を示す。
• シミュレーション結果から、CDRエコーは中程度のデコherence下でも高い忠実度とコherencesを維持しており、損失の大きい環境下でも標準的光子エコープロトコルを上回ることが確認された。
• 位相制御を人口逆転から分離することで、実験的複雑性を低減し、スケーラブルな量子メモリ運用を可能にする。
• 制御場のラビ周波数が原子系の自然な位相崩壊率と一致するときにエコー効率が最大となり、最適なコherences管理が達成されることを示唆している。