[논문 리뷰] Quantum Memory and Optical Transistor Based on Electromagnetically Induced Transparency in Optical Cavities

R. R. Oliveira, H. S. Borges외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 16.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전자기 유도 투과(ЕIT)를 통해 고선율 광학 공진기 내 단일 원자를 이용한 고효율 양자 메모리 및 광 트랜지스터를 구현하기 위한 이론적 프레임워크를 제안한다. Λ형 삼준태계에서 광자 큐비트 상태를 어두운 상태로 꾸준히 전달함으로써, 단측 공진기에서는 거의 100%의 양자 메모리 효율을 달성할 수 있으며, 대칭적인 양측 공진기에서는 100% 대비 대비를 가지는 이상적인 광 트랜지스터 작동이 가능하지만, 메모리 효율은 50%로 제한된다.

ABSTRACT

We theoretically studied the implementation of a quantum memory and an optical transistor in a system composed by a single atom trapped inside a high finesse cavity. In order to store and map the quantum state of an input pulse onto internal states of the single atom (quantum memory) we employ the electromagnetically induced transparency (EIT) phenomenon (which can work out as an optical transistor) where the information can be transferred to the dark state of the atom modelled by a three-level system in a Λ-type configuration. In our model we consider a suitable temporal shape for the control field that ensures the adiabaticity of the storage process and retrieval of the probe pulse. The dynamic of the field inside the cavity was obtained by master equation approach, while the outside field was calculated by input-output formalism. We have analysed two different setups: i) two-sided and ii) single-sided cavities. While the first setup is the most appropriate and commonly used to observe cavity-EIT in the transmission spectrum, thus the best configuration for the optical transistor, the maximum quantum memory efficiency can not reach reasonable values, being limited to 50% for symmetric cavities. On the other hand, with single-sided cavity the quantum memory efficiency increases considerably and can reach values close to 100% in the strong atom-field coupling regime. However this specific setup is not favourable to observe the cavity-EIT effect in the transmission spectrum and then it is not appropriate to control the transmission of light pulses.

연구 동기 및 목표

• 고선율 광학 공진기 내 고립된 원자를 이용한 고효율 양자 메모리 및 광 트랜지스터의 이론적 모델 개발.
• 공진기 거울 반사율(양측 대비 단측)이 양자 메모리 효율과 광 트랜지스터 성능에 미치는 영향을 조사.
• 광학적 응답을 최적화하기 위해 아디아바틱 조건 하에서 원자-장 간 결합 및 제어장 동역학을 조절함으로써 메모리 효율을 극대화.
• EIT 기반 빛의 전송 제어 및 일관된 상태 매핑을 최대화할 수 있는 조건을 규명.
• 공진기 QED 시스템에서 고효율 양자 메모리 효율과 효과적인 광 트랜지스터 기능 간의 상충관계를 해결.

제안 방법

• 원자를 단일 모드 광학 공진기와 결합된 Λ형 삼준태계로 모델링하고, 내부 동역학을 기술하기 위해 마스터 방정식 접근법을 사용.
• 외부 장의 진폭, 특히 반사 및 투과 성분을 계산하기 위해 입력-출력 형식을 적용.
• 조사를 투과하는 펄스를 원자 어두운 상태로 일관적으로 매핑하기 위해 시간에 따라 조절된 아디아바틱 제어장을 사용.
• 메모리 및 트랜지스터 기능에서의 성능을 비교하기 위해 대칭적이고 비대칭적인 양측 공진기 및 단측 공진기를 분석.
• 단측 공진기에서 완전한 빛 산산이 흩어지고 출력장이 0이 되는 조건을 결정하기 위해 효과적인 붕괴율 γ = g²/Γ₃₁ 를 유도.
• 원자-장 결합 강도 g와 공진기 붕괴율 κ를 다양하게 설정하여 수치 시뮬레이션을 수행하고, g ≈ 0.8κ 인 조건에서 완전한 산산이 흩어지고 출력장이 0이 되는 것을 확인.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고선율 공진기 내 단일 원자 시스템이 EIT를 통해 거의 100%의 양자 메모리 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 공진기 거울의 비대칭성이 양자 메모리 효율과 광 트랜지스터 대비 간의 상충관계에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 고정밀도 양자 메모리와 고대비 광 트랜지스터 작동을 동시에 달성하기 위한 최적의 구성은 무엇인가?
• RQ4 원자-공진기 시스템이 입사 빛을 완전히 산산이 흩어져 출력장이 0이 되는 조건은 무엇인가?
• RQ5 단측 공진기에서 반사 및 투과된 장을 구분하기 위한 위상 측정이 EIT 효과를 관찰하는 데 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 단측 공진기에서는 강한 원자-장 결합 영역에서 양자 메모리 효율이 거의 100%에 도달할 수 있으며, 이는 양자 메모리 응용에 매우 적합하다.
• 대칭적인 양측 공진기에서는 강한 결합 조건 하에서 제어장이 켜졌을 때와 꺼졌을 때 100%의 전송 대비를 달성하여 이상적인 스위칭 행동이 가능하다.
• 대칭적인 양측 공진기에서의 최대 양자 메모리 효율은 거울 반사율의 대칭성으로 인해 결합 강도에 관계없이 항상 50%로 제한된다.
• 비대칭적인 양측 공진기(이전 실험에서 사용된 방식)에서는 메모리 효율이 약 8.5%로 제한되어 실용적인 양자 메모리로는 부적합하다.
• 완전한 산산이 흩어짐(출력장이 0)은 γ = κ 조건에서 발생하며, 이때 γ = g²/Γ₃₁ 는 효과적인 붕괴율이다.
• 완전한 산산이 흩어짐 조건인 g ≈ 0.8κ 는 정적 해를 통한 해석적 분석과 시뮬레이션을 통한 수치적 확인을 통해 확인되었으며, 모델에서 Γ₃₁ = 0.6κ 를 가정하였다.