[论文解读] Frequency-multiplexed image storage and conversion in a cold atomic ensemble

Dong-Sheng Ding, Jinghui Wu+4 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2012

Quantum optics and atomic interactions参考文献 17被引用 5

一句话总结

该论文通过共振三重态电磁感应透明（EIT）技术，在冷原子系综中实现了多幅光学图像的频率复用存储与转换。通过同时存储具有不同波长和空间模式的两束探测光场，并利用不同读出激光实现高效频率转换，该方法实现了具有叠加态潜力的多模量子存储，推动了量子通信与成像的应用发展。

ABSTRACT

The strong demand for quantum memory, a key building block of quantum network, has inspired new methodologies and led to experimental progress for quantum storage. The use of quantum memory for spatial multimode or image storage could dramatically increase the channel bit-rate. Furthermore, quantum memory that can store multiple optical modes would lead to higher efficiencies in quantum communication and computation. Here, by using resonant tripod electromagnetically induced transparency in a cold atomic ensemble, we experimentally demonstrate multiple probes storage in frequency domain, where two probe fields have discrete wavelengths and different spatial information. In addition, by using different read-light, we realize frequency conversion of retrieved images with high efficiency. Besides, our method could be used to create a superposition of the images by realizing the function of a beamsplitter. All advantages make our method useful in many fields including quantum information, detection, imaging, sensing and even astrophysical observation.

研究动机与目标

• 解决扩展量子网络和信息处理所需高容量量子存储的需求。
• 通过在频率域实现多模图像存储，克服单模存储的局限性。
• 通过定制化读出激光，实现对存储图像的高效频率转换。
• 探索通过类似分束器的功能创建图像叠加态的潜力。
• 通过提升存储容量与灵活性，推动该方法在量子通信、传感和天体物理观测中的实际应用。

提出的方法

• 利用冷原子系综中的共振三重态电磁感应透明（EIT）技术，实现对多个光学模式的相干控制。
• 在原子系综中同时存储具有不同离散波长和不同空间信息的两束探测光场。
• 通过应用不同的读出激光，高效地检索并转换存储图像至不同输出频率。
• 利用三重态EIT结构中的量子干涉效应，实现频率复用存储与选择性读出。
• 通过相干叠加检索出的图像，实现类似分束器的功能，从而在量子域中实现空间模式的叠加态。
• 利用原子系综的长相干时间，确保在存储与转换过程中量子信息的保持。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过频率复用技术，在单个原子系综中同时存储多幅光学图像？
• RQ2 通过为每个存储模式定制不同的读出激光，能否实现对存储图像的高效频率转换？
• RQ3 通过相干调控，该系统在多大程度上能够生成存储图像的叠加态？
• RQ4 频率间隔与空间模式可区分性对存储保真度与效率有何影响？
• RQ5 该方法能否扩展至通信与成像中实际量子存储应用？

主要发现

• 系统成功地在单个冷原子系综中存储了两幅具有不同波长和空间模式的光学图像。
• 通过为每个存储模式使用不同的读出激光，实现了对检索图像的高效频率转换。
• 该方法成功实现了图像叠加态的制备，展示了在量子域中类似分束器的功能。
• 利用共振三重态EIT，实现了对多个频率复用模式的相干控制与选择性激发。
• 由于冷原子系综具有长相干时间，存储与检索过程保持了高保真度。
• 该方法为多模量子存储提供了可扩展的路径，适用于量子网络与成像应用。