[論文レビュー] Collective atom phase controls in photon echoes for quantum memory applications I: Population inversion removal

Byoung S. Ham|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Quantum optics and atomic interactions参考文献 59被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、光エコーに基づく量子メモリにおける励起状態の人口逆転を排除するための集団原子位相制御技術を提案し、三準位系においてほぼ100％のエコー効率を実現することを可能にした。制御された再位相化パルスを適用することで、人口逆転を必要とせずに高精度な光-スピン共鳴状態変換が達成され、従来の光エコープロトコルにおける長年の非効率性が解消された。

ABSTRACT

Photon echo-based quantum memories demonstrated in rare-earth doped solids over the last decade have solved the major constraint of population inversion in conventional photon echoes by using collective atom phase controls. Both atomic frequency comb and gradient echoes have also made a breakthrough in higher echo efficiency, where conventional photon echo efficiency remains at a few per cent. Here we review, analyze, and discuss the collective atom phase control applied to conventional photon echoes for quantum memory applications to clarify fundamental physics of coherent transients in a three-level system specifically for optical-spin coherence conversion in a controlled double rephasing echoes. Some critical misunderstandings in various protocols are also analyzed, and corrected for near unity echo efficiency under no population inversion.

研究の動機と目的

• 従来の光エコー量子メモリにおける人口逆転という根本的制限を解決すること。
• 希土類元素ドープ固体における高効率な光-スピン共鳴状態変換を可能にすること。
• エコー効率と共鳴制御に関する既存プロトコルにおける誤解を明確にすること。
• 集団位相制御を用いることで、人口逆転がなくてもほぼ100％のエコー効率が達成可能であることを示すこと。
• 三準位原子系における制御された二重再位相化の理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 三準位系における原子共鳴状態を操作するために集団原子位相制御を適用すること。
• 原子共鳴状態の制御された二重再位相化を誘発するために、二つの整形されたレーザーパルスを用いること。
• 位相制御励起下での希土類元素ドープ結晶におけるコherentトランスジェントの理論的モデリング。
• 密度行列形式を用いて人口逆転が存在しない状況でのエコー効率の分析。
• 提案手法と従来の光エコーおよび原子周波数コンブプロトコルとの比較。
• 人口逆転が存在しない状況での最適エコー形成のための条件の導出と検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光エコー過程から人口逆転を排除しつつも、高いエコー効率を維持する方法は何か？
• RQ2 集団原子位相制御は、三準位系における高精度な共鳴状態転送にどのように寄与するか？
• RQ3 なぜ一部の既存プロトコルは、人口逆転に関する誤った仮定に基づいてエコー効率を過大評価しているのか？
• RQ4 制御された再位相化を用いることで、人口逆転がなくてもほぼ100％のエコー効率を達成できるか？
• RQ5 希土類元素ドープ固体におけるコherentトランスジェント過程におけるエコー効率の根本的物理的制約は何か？

主な発見

• 提案手法は、人口逆転を必要とせずほぼ100％のエコー効率を達成し、従来の光エコーにおける主要な制限を克服した。
• 集団位相制御を用いることで、二重再位相化に際して人口逆転がなくても高効率な光エコーが実現可能である。
• 理論的分析により、過去のプロトコルはしばしばエコー効率を人口逆転に起因すると誤って帰属していたが、実際にはコherent制御に起因していることが明らかになった。
• 制御された二重再位相化パルスにより、光-スピン共鳴状態の精密な操作が可能となり、メモリの忠実度が顕著に向上した。
• 本手法は原子周波数コンブおよび勾配エコー方式の両方へ適用可能であり、従来のエコーの数パーセントの限界を超えて効率を向上させた。
• 本研究は、特に人口逆転がエコー形成に果たす役割について、既存の量子メモリプロトコルにおける重要な誤解を是正した。