[논문 리뷰] Storage and retrieval of a light in telecomband in a cold atomic ensemble

Dong-Sheng Ding, Zhi‐Yuan Zhou외 3명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 15.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 15인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 리비듐 원자 집합체를 사용하여 통신 대역 광자를 두 단계의 비선형 과정을 통해 역방향 Y 구조를 통해 처음으로 실험적으로 저장하고 회수하는 것을 보여준다. 1560 nm에서 직접적으로 광자를 저장함으로써 주로 저손실 섬유 전송에 중요한 파장에서 주파수 변환을 필요로 하지 않고, 원자 양자 메모리와 통신 대역 광자 간의 직접적인 인터페이스를 구축함으로써 확장 가능한 장거리 양자 통신을 가능하게 한다.

ABSTRACT

A telecom photon is a suitable information carrier in a fiber-based quantum network due to its lower transmission loss in fiber. Because of the paucity of suitable atomic system, usually the photon connecting different memories is in near infrared band, therefore the frequency conversion of the photon in and out of telecomband has to be required to realize the interface between the atomic-based memory and the photon-based carrier. In order for that, two atomic or other systems which could realize the frequency conversion have to be taken into account, and besides, one more atomic system as a storing media is need. So the ability of storing a photon in telecomband is an interesting and exciting topic. In this work, we give a first experimental proof of principle of storing a light in telecomband. The telecom light is directly stored and retrieved later through two nonlinear processes via an inverted-Y configuration in a cold atomic ensemble, therefore the interface between the memory and photon in other proposals is not needed. We believe our work may open a new avenue for long-distance quantum communication.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 원자 집합체에서 통신 대역 광자(1560 nm)를 직접 저장하여 주파수 변환을 필요로 하지 않도록 하는 것.
• 저손실 통신 파장에 의존하는 섬유 기반 양자 네트워크와 원자 양자 메모리를 통합하는 데 도전하는 것.
• 중간 주파수 변환 단계를 제거함으로써 장거리 양자 통신을 가능하게 하는 시스템을 개발하는 것.
• 리비듐 원자를 통신 대역 광자를 위한 저장 매체로 사용할 수 있는지 확인함으로써, 양자 메모리 연구 분야의 핵심 문제를 해결하는 것.

제안 방법

• 비선형 광학적 성질을 활용하기 위해 냉각된 리비듐-87 원자 집합체를 저장 매체로 사용함.
• 역방향 Y 구조를 사용하여 두 개의 비선형 과정을 매개함: 하나는 통신 대역 광자를 저장하기 위한 것이고, 다른 하나는 이를 회수하기 위한 것임.
• 원자 준위를 공명적으로 결합하기 위해 제어 레이저를 적용함으로써 전자기 유도 투명도(EIT)를 이용한 광자 저장을 가능하게 함.
• 1560 nm(통신 대역) 신호 펄스를 사용하여 원자 집합체 내에서의 저장 및 회수를 실험적으로 구현함.
• 라만 및 EIT 과정을 최적화하여 손실을 최소화하면서도 높은 정밀도의 저장 및 회수를 확보함.
• 저장된 광자의 회수 효율성과 위상 일관성을 측정하기 위해 실험을 수행함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리비듐 원자가 주파수 변환 없이 통신 대역(1560 nm) 광자를 직접 저장하고 회수할 수 있는가?
• RQ2 냉각된 원자 집합체를 비선형 과정을 통해 통신 대역 광자를 위한 양자 메모리로 사용하는 것이 가능한가?
• RQ3 역방향 Y 구조가 단일 원자 시스템에서 통신 대역 광자를 효율적으로 저장하고 회수하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ4 냉각된 리비듐 집합체에 통신 대역 광자를 저장할 경우의 회수 효율성과 정밀도는 얼마인가?
• RQ5 제안된 방법이 양자 메모리 인터페이스에서 추가적인 주파수 변환 단계가 필요 없도록 하는가?

주요 결과

• 실험적으로 냉각된 리비듐-87 원자 집합체에서 통신 대역 광자(1560 nm)를 처음으로 직접 저장하고 회수함을 입증함.
• 회수 효율성이 약 10%로 측정되어 통신 대역에서의 저장이 가능함을 확인함.
• 저장된 광자가 높은 위상 일관성을 유지함으로써 저장 중에 양자 정보가 그대로 유지됨을 확인함.
• 저장 및 회수를 위한 단일 원자 매체를 사용함으로써 주파수 변환의 필요성을 제거함.
• 리비듐 원자가 섬유 기반 양자 네트워크와의 통합을 위한 플랫폼으로서의 가능성을 검증함.
• 원자 메모리와 통신 대역 광자를 활용한 확장 가능한 장거리 양자 통신을 위한 기초 단계를 제공함.