[논문 리뷰] Quantum memory for light: large efficiency at telecom wavelength

Julián Dajczgewand, Jean-Louis Le Gouët외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 12. 03.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 통신 파장에서 에르븀 도핑된 Y2SiO5에 대한 ROSE 프로토콜을 사용하여 양자 메모리의 저장 효율을 40%로 구현함을 보여주며, 최적화된 편광, 자기장 및 결정 축 정렬을 통해 높은 효율을 달성한다. 이 방법은 상태 준비를 회피하고, 비공선 광선 기하구조와 교차 편광을 통해 노이즈를 억제한 전방 에코 검출을 활용한다.

ABSTRACT

We implement the ROSE protocol in an erbium doped solid, compatible with the telecom range. The ROSE scheme is an adaptation of the standard 2-pulse photon echo to make it suitable for a quantum memory. We observe an efficiency of 40% in a forward direction by using specific orientations of the light polarizations, magnetic field and crystal axes.

연구 동기 및 목표

• 통신 대역에 적합한 양자 저장을 위한 에르븀 도핑된 Y2SiO5에서 ROSE 양자 메모리 프로토콜의 구현.
• 에르븀 도핑된 고체에서의 낮은 광학 펌프 동역학 및 스펙트럼 홀드 버닝의 어려움을 극복하기 위한 목적.
• 상태 준비를 제거하고 재위상화 펄스에서 발생하는 노이즈를 줄임으로써 전방 방향에서 높은 저장 효율을 달성하기 위한 목적.
• 최대 효율을 위한 광선, 편광, 자기장 및 결정 축 방향의 최적 조합을 규명하기 위한 목적.

제안 방법

• 상태 준비가 필요 없이 인구를 반전시키고 위상 공명을 재위상화하기 위해 두 개의 재위상화 펄스를 사용하여 ROSE 프로토콜을 적용한다.
• 비공선이면서 약간 반대 방향의 광선과 교차 편광을 통해 재위상화 펄스와 강한 간섭을 방지하고 에코 신호를 분리한다.
• 전자 스핀 변동을 최소화하고 공명을 유지하기 위해 자기장이 D1–D2 평면 내에서 D1 축으로부터 135° 각도로 설정된다.
• 결정을 1.8 K로 냉각하여 광학 공명 수명을 400 μs로 연장하며, ROSE 감쇠 측정과 표준 2PE 시퀀스를 통해 확인된다.
• 불완전한 인구 복귀와 재위상화를 설명하는 매개변수 η_pop 및 η_phase를 포함한 현상학적 모델을 도입하여 실험 데이터의 정량적 피팅이 가능해진다.
• 에코 성장과 감쇠를 기술하는 미분 방정식에서 유도된 이론적 효율은 디코herence 및 불완전성 요소를 포함한 수정된 표현식을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ROSE 프로토콜은 상태 준비나 스펙트럼 홀드 버닝 없이도 Er3+:Y2SiO5에서 높은 저장 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이방성 및 이방성 Y2SiO5에서 전방 에코 효율을 최대화하기 위해 자기장, 결정 축 및 광선 편광의 특정 방향은 무엇인가?
• RQ3 재위상화 펄스의 불완전성은 측정된 저장 효율에 어떤 영향을 미치며, 이를 정량적으로 모델링할 수 있는가?
• RQ4 디코herence 및 스펙트럼 확산은 Er3+:Y2SiO5에서 달성 가능한 대역폭과 멀티plexing 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 ROSE를 통한 T2 측정값(400 μs)과 표준 2PE를 통한 T2 측정값(1.4 ms) 사이의 격차는 무엇이며, 이는 메모리 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실험적으로 전방 방향에서 40%의 저장 효율을 달성하였으며, 이는 주어진 구성 조건에서 이론적 최대값 54%에 근접한다.
• 최적의 구성 조건은 D1–D2 평면 내에서 D1 축으로부터 135° 각도로 설정된 자기장으로, 전자 스핀 변동을 최소화한다.
• 교차 편광과 비공선 광선 기하구조는 재위상화 펄스 및 그 반사파에 의한 에코 신호 오염을 효과적으로 억제한다.
• η_pop = 80% 및 η_phase = 85%를 사용한 현상학적 피팅이 실험 데이터를 정확히 기술하며, 높은 재위상화 품질을 시사한다.
• ROSE 감쇠에서 측정된 T2는 400 μs로, 표준 2PE에서 측정된 1.4 ms보다 현저히 짧으며, 이는 즉각적인 스펙트럼 확산 존재를 시사한다.
• 결과적으로 이는 Er3+:Y2SiO5에서 고효율, 통신 대역의 양자 메모리로의 실현 가능성을 보여주며, 500 MHz의 비균일한 스펙트럼 폭 덕분에 멀티플렉싱 가능성이 있다.