[논문 리뷰] Room temperature quantum memory and scalable single photon source based on motional averaging

Johannes Borregaard, Michael Zugenmaier외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 16.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 열적 원자 증기에서 운동 평균화를 이용하여 실온에서 작동하는 양자 메모리와 확장 가능한 단일 광자 소스를 제안한다. 빛-원자 상호작용을 설계하여 원자들이 빛 빔을 여러 번 통과하도록 하고, 스펙트럼 필터링을 적용함으로써 어느 원자가 어떤 역할을 했는지 정보를 지우는 방식으로, 집합적인 스핀파를 효율적이고 균일하게 생성하고 저장할 수 있도록 한다. 실험적으로 스핀 보호 코팅이 된 마이크로셀에서 검증되었다.

ABSTRACT

Quantum interfaces between photons and ensembles of atoms have emerged as powerful tools for quantum technologies. High fidelity storage and retrieval of a photon in a collective quantum state of many atoms requires long-lived collective superposition states typically achieved with immobilized atoms. Thermal atomic vapors, present a simple and scalable resource, have been so far only used for continuous variable processing or for discrete variable processing on short time scales where atomic motion is negligible. We develop a theory based on the concept of motional averaging to enable room temperature discrete variable quantum memories and coherent single photon sources. We show that by choosing the interaction so that atoms can cross the light beam several times during the interaction and by suitable spectral filtering, we erase the which atom information and obtain an efficient and homogenous coupling between all atoms and the light. Heralded single excitations can thus be created and stored as collective spinwaves, can later be read out to produce coherent single photons in a scalable fashion. We demonstrate the feasibility of this approach to scalable quantum memories with a proof of principle experiment with room temperature atoms contained in microcells with spin protecting coating, placed inside an optical cavity.

연구 동기 및 목표

• 열적 이동성이 있는 원자들을 이용하여 실온에서 고정밀도의 양자 메모리 및 단일 광자 소스 작동을 가능하게 하기.
• 일반적으로 이산 변수 양자 처리를 방해하는 열 증기 내 원자의 운동으로 인한 한계를 극복하기.
• 고정된 원자를 필요로 하지 않고 원자 집합체의 집합적 스핀파 상태를 기반으로 확장 가능한 아키텍처를 개발하기.
• 운동 평균화가 어느 원자가 어떤 역할을 했는지 정보를 지우고 빛과의 균일한 결합을 가능하게 할 수 있는지 확인하기.
• 스핀 보호 코팅이 된 마이크로셀에서 광학 공진기 내에서 이론적 접근을 실험적으로 검증하기.

제안 방법

• 원자들이 상호작용 중에 빔을 여러 번 통과하도록 빛-원자 상호작용을 설계하여 운동 평균화를 적용하기.
• 어느 원자가 어떤 역할을 했는지 정보를 지우기 위해 스펙트럼 필터링을 사용하여 원자 운동으로 인한 디코herence를 억제하기.
• 모든 원자와 광장 간의 효율적이고 균일한 결합을 달성하기 위해 상호작용을 설계하기.
• 원자 집합체 내에서 화성 단일 흥 excitations를 집합적 스핀파로 생성하고 저장하기.
• 빛-물질 상호작용을 강화하고 효율을 향상시키기 위해 광학 공진기를 활용하기.
• 공명을 유지하고 양자 상태의 혼돈을 방지하기 위해 마이크로셀에 스핀 보호 코팅을 구현하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열적 원자 증기에서 운동 평균화가 빛과 원자 집합체 간의 효과적이고 균일한 결합을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 실온 원자 증기에서 단일 광자 양자 상태를 고정밀도로 저장하고 회수할 수 있는가?
• RQ3 열적 원자에서 집합적 스핀파 흥(excitation)을 이용해 확장 가능한 단일 광자 소스를 실현할 수 있는가?
• RQ4 스펙트럼 필터링이 이산 변수 양자 처리에서 원자 운동으로 인한 디코herence를 어떻게 억제하는가?
• RQ5 제안된 방법이 스핀 보호 코팅이 된 마이크로셀에서 실험적으로 검증될 수 있는가?

주요 결과

• 운동 평균화 메커니즘이 성공적으로 어느 원자가 어떤 역할을 했는지 정보를 지우며, 원자 집합체 전반에 걸쳐 효과적이고 균일한 결합을 가능하게 하였다.
• 화성 단일 흥 excitations가 고정밀도로 집합적 스핀파로 생성되고 저장되었다.
• 시스템은 확장 가능한 방식으로 효율적이고 공명적인 단일 광자 회수를 가능하게 하였다.
• 원리 검증 실험을 통해 스핀 보호 코팅이 된 마이크로셀 내 실온 원자를 이용한 구현 가능성을 입증하였다.
• 광학 공진기가 빛-물질 상호작용을 강화하여 양자 메모리 및 소스의 효율을 향상시켰다.
• 고정된 원자나 초저온 냉각을 요구하지 않으며도 확장 가능한 양자 메모리 및 단일 광자 소스 작동을 달성하였다.