[논문 리뷰] EIT-based photonic memory with near-unity storage efficiency

Ya-Fen Hsiao, Pin-Ju Tsai외 8명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 27.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 냉각 원자 매질에서 EIT 기반 광 메모리를 실현하여 광학적 깊이가 약 1000인 조건에서 96%의 저장 효율을 달성하며, 양자 메모리 성능 기록을 수립하였다. 시스템은 50% 효율에서 1200의 분수 지연을 달성하여, 어떤 양자 메모리 기술보다도 높은 성능을 기록하였다.

ABSTRACT

Quantum memory is an important component in the long-distance quantum communication system based on the quantum repeater protocol. To outperform the direct transmission of photons with quantum repeaters, it is crucial to develop quantum memories with high fidelity, high efficiency and a long storage time. Here, we achieve a storage efficiency of 96\% for a photonic memory based on the electromagnetically induced transparency (EIT) scheme in cold atomic media with an optical depth of near 1000. At a storage efficiency of 50\%, we also obtain a fractional delay of 1200. Both are the best record to date in all kinds of the schemes for the realization of quantum memory. Our work significantly advances the pursuit of a high-performance photonic memory and should have important applications in quantum information science.

연구 동기 및 목표

• 양자 반복기 프로토콜을 활용한 장거리 양자 통신을 위한 고효율 광 메모리 개발.
• 기존의 양자 메모리 기술에서 낮은 저장 효율과 짧은 저장 시간이라는 한계를 극복.
• 높은 정밀도와 긴 저장 기간을 유지하면서도 근접 단일 저장 효율 달성.
• EIT 기반 양자 메모리의 성능 지표인 저장 효율과 분수 지연에서 새로운 기준 설정.

제안 방법

• 냉각 원자 매질에서 전자기 유도 투명성(EIT) 기법을 활용하여 빛의 속도를 느리게 하고 효율적인 광자 저장을 실현.
• 빛-물질 상호작용을 강화하고 저장 효율을 향상시키기 위해 높은 광학적 깊이(~1000)를 확보.
• 저장 중 손실을 최소화하고 투명성을 유지하기 위해 커플링 및 프로브 레이저 필드를 정밀하게 제어.
• 원자 밀도와 레이저 이탈량과 같은 실험적 매개변수를 최적화하여 저장 효율과 지연 시간을 극대화.
• 다양한 조건에서 저장 효율과 분수 지연을 측정하여 최적 성능 지점을 규명.
• 정확도와 정밀도를 보장하기 위해 校정된 탐지 장치와 양자 상태 단층 촬영을 활용하여 성능을 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 원자 매질을 사용한 EIT 기반 광 메모리에서 도달 가능한 최대 저장 효율은 얼마인가?
• RQ2 광학적 깊이가 EIT 기반 양자 메모리의 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 높은 저장 효율을 유지하면서도 분수 지연을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 실제 실험 조건에서 EIT 기반 시스템의 저장 효율과 지연 시간의 실질적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• EIT 기반 광 메모리는 기록된 바가 있는 바에 비해 가장 높은 96%의 저장 효율을 달성하였다.
• 50%의 저장 효율 조건에서 시스템은 1200의 분수 지연을 기록하여 새로운 기준을 설정하였다.
• 높은 성능는 광학적 깊이가 약 1000에 가까운 데 기인하여 빛-물질 상호작용이 강화되었기 때문이다.
• 결과적으로 모든 양자 메모리 기술 중에서 가장 뛰어난 성능을 기록하였으며, 효율성과 지연 시간 양면에서 이전 기록을 초월하였다.
• 시스템은 높은 정밀도와 긴 저장 시간을 유지하여, 양자 반복기 응용에 필수적인 조건을 충족시켰다.
• 근접 단일 저장 효율이 실용적 광 메모리 구현에서 실현 가능하다는 것을 입증하였다.