[論文レビュー] Modematching an optical quantum memory

Joshua Nunn, Ian A. Walmsley+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2006

Quantum optics and atomic interactions参考文献 18被引用数 109

ひとこと要約

本稿では、形状を制御したコントロールパルスを用いた非共鳴ラーマン散乱を用いて、原子系に帯域幅が広い単一光子波パケットを記録する手法を提案する。相互作用を直交する時間的および空間的モードに分解することで、最適なモードマッチングにより、集団的原子スピン波への完全な量子状態転送が可能であることが示され、主モードでは99.5％の効率が達成され、群速度の低下を伴わずに高精度の記録・再生が可能となる。

ABSTRACT

We analyse the off-resonant Raman interaction of a single broadband photon, copropagating with a classical `control' pulse, with an atomic ensemble. It is shown that the classical electrodynamical structure of the interaction guarantees canonical evolution of the quantum mechanical field operators. This allows the interaction to be decomposed as a beamsplitter transformation between optical and material excitations on a mode-by-mode basis. A single, dominant modefunction describes the dynamics for arbitrary control pulse shapes. Complete transfer of the quantum state of the incident photon to a collective dark state within the ensemble can be achieved by shaping the control pulse so as to match the dominant mode to the temporal mode of the photon. Readout of the material excitation, back to the optical field, is considered in the context of the symmetry connecting the input and output modes. Finally, we show that the transverse spatial structure of the interaction is characterised by the same mode decomposition.

研究の動機と目的

• 量子情報処理のため、原子系に帯域幅が広く、超短い光子波パケットを高精度で記録することを目的とする。
• 従来の狭帯域設定における不良なモードマッチングに起因する制限を克服することを目的とする。
• ラーマン相互作用下での量子場演算子の正規化された時間発展を保証するモード分解フレームワークを確立することを目的とする。
• 最適なコントロールパルス形状が、光子の量子状態を長寿命な集団的スピン波に完全に転送可能であることを示すこと。
• 時間的モード分解に加え、横方向空間モードへの拡張を行い、時間的および空間的ダイナミクスを支配する同一のモード構造を示すこと。

提案手法

• 帯域幅が広い信号光子と古典的コントロールパルスとのラーマン相互作用を、光的モードと原子スピン波モードの間のビームスプリッタ変換としてモデル化する。
• 相互作用の積分核に対してモード分解を適用し、一意の普遍固有関数集合によって支配される直交する入力・出力モードが得られる。
• 解は場の演算子の正準交換関係を保ち、追加の制約なしにユニタリな時間発展を保証する。
• 主モードは、正規化単位で幅 $ w_s = 1.45 $ のガウス型空間的分布を示し、その結合効率は $ \sigma_1 = 0.995 $ である。
• コントロールパルスの形状を制御して、信号光子の時間的および空間的分布を主モードにマッチングさせ、転送効率を最大化する。
• 入力・出力モード間の対称性により、逆方向の読み出し（コherent readout）が可能であり、出力パルス形状は読み出し用コントロールパルスの形状に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラーマンベースの量子メモリを用いて、帯域幅が広い単一光子波パケットを原子系に効率的に記録できるか？
• RQ2 ラーマン相互作用のモード構造は、量子状態転送の効率および忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 コントロールパルスの形状が、光子の量子状態を集団的原子励起状態に完全に転送するために果たす役割は何か？
• RQ4 相互作用の横方向空間モード構造は、時間的モード分解とどのように関連しているか？
• RQ5 ユニタリティを外部的に仮定せず、古典的電磁力学によっても場の演算子の正規化された時間発展を保証できるか？

主な発見

• 帯域幅が広い信号光子と古典的コントロールパルスとのラーマン相互作用は、量子場演算子の正準的時間発展をもたらし、ユニタリなダイナミクスを保証する。
• 相互作用は、直交する入力・出力モード間のビームスプリッタ変換の集合として分解可能であり、主モードでは結合効率 $ \sigma_1 = 0.995 $ を達成する。
• 主空間モードは、正規化単位で幅 $ w_s = 1.45 $ のガウスビームでよく近似可能であり、コントロールパルスは平面波近似を維持するため $ w_c \geq 3w_s $ の焦点径にフォーカスされるべきである。
• システムは入力・出力モード間に時間反転に類似た対称性を示し、記録状態のコherentな読み出しを可能にする。
• モード構造は普遍的であり、結合強度にのみ依存し、特定のパルス形状とは無関係であるため、最適なコントロールパルスの設計が簡素化される。
• 理論的解析により、このスキームが、帯域幅がアディアバティック性および周波数オフセットの制約によって制限されるが、100 fsの超短パルスおよび10 nmの帯域幅を持つ光子を、原子チリウム蒸気中で高忠実度で記録・再生可能であることが確認された。