[논문 리뷰] Storage and Retrieval of an Image using Four-Wave Mixing in a Cold Atomic Ensemble

Jinghui Wu, Dong-Sheng Ding외 5명|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 04.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 전자기 유도 투명성(ЕIT)을 통해 콜드 원자 군집에서 4파면 혼합(FWM)을 이용하여 광학적 이미지를 저장하고 복원하는 것을 보여준다. 보조장은 집단적 스핀 역학과 복원 중 새로운 FWM 과정을 통해 생성되며, 라르모르 프리세션으로 인해 감쇠 진동을 보인다. 이미지 정보는 둘 다 복원된 장에서 유지되며, 이는 양자 이미지 처리 및 통신 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We performed an experiment to observe the storages of an input probe field and an idler field generated through an off-axis four-wave mixing (FWM) process via a double-lambda configuration in a cold atomic ensemble. We analyzed the underlying physics in detail and found that the retrieved idler field came from two parts if there was no single-photon detuning for pump pulse: part 1 was from the collective atomic spin (the input probe field, the coupling field and the pump field combined to generate the idle field through FWM, then the idler was stored through electromagnetically induced transparency.); part 2 was from the generated new FWM process during the retrieval process (the retrieved probe field, the coupling field and the pump field combined to generate a new FWM signal). If there was single-photon detuning for pump pulse, then the retrieved idler was mainly from part 2. The retrieved two fields exhibited damped oscillations with the same oscillatory period when a homogeneous external magnetic field was applied, which was caused by the Larmor spin precession. We also experimentally realized the storage and retrieval of an image of light using FWM for the first time. In which, an image was added into the input signal. After the storage, the retrieved idler beams and input signal carried the same image. This image storage technique holds promises for application in image processing, remote sensing and quantum communication.

연구 동기 및 목표

• 냉각된 원자 군집에서 4파면 혼합을 이용한 광학적 이미지의 저장 및 복원을 조사한다.
• 단일 광자 떨어짐이 없는 조건에서 복원된 보조장의 이중 기원을 이해한다.
• 단일 광자 떨어짐이 복원된 보조장에 대한 주요 기여도를 어떻게 이동시키는지 조사한다.
• 외부 자기장이 라르모르 스핀 프리세션을 통해 복원된 장에 미치는 영향을 분석한다.
• 냉각된 원자 시스템에서 FWM을 이용한 이미지 저장 및 복원의 첫 번째 실험적 실현을 보여준다.

제안 방법

• 프로브, 커플링 및 풼프 필드 간의 4파면 혼합을 가능하게 하기 위해 루비듐-87의 콜드 에너지 집합에서 이중 람다 원자 구조를 사용한다.
• 프로브 및 보조장을 집단적 원자 스핀 상태에 저장하기 위해 전자기 유도 투명성(EIT)을 적용한다.
• 균일한 외부 자기장을 적용하여 원자 스핀의 라르모르 프리세션을 유도하고, 복원된 신호를 조절한다.
• 저장 및 복원 단계 모두에서 FWM을 수행하며, 복원된 프로브 장이 커플링 및 풀프 필드와 재결합하여 새로운 보조 신호를 생성한다.
• 이미지를 입력 프로브 장에 인코딩하고, 복원된 보조장 및 원래의 신호장에서의 정밀도를 검증한다.
• 스핀 프리세션과 관련된 감쇠 진동을 관찰하기 위해 복원된 장의 시간적 변화를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 광자 떨어짐이 없을 때 복원된 보조장의 두 가지 별개의 물리적 기원은 무엇인가?
• RQ2 단일 광자 떨어짐은 두 보조장 생성 메커니즘의 기여도 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 라르모르 스핀 프리세션은 복원된 장의 시간적 동역학에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 냉각된 원자 군집에서 FWM을 이용해 광학적 이미지를 성공적으로 저장하고 복원할 수 있는가?
• RQ5 이미지의 정밀도가 복원된 보조장과 원래의 신호장 양쪽 모두에서 유지되는가?

주요 결과

• 단일 광자 떨어짐이 없을 때 복원된 보조장은 두 성분으로 구성되며, 하나는 집단적 원자 스핀 역학에서 기인하고 다른 하나는 복원 중 새로운 FWM 과정에서 기인한다.
• 단일 광자 떨어짐이 있을 경우 복원된 보조장은 주로 복원 중 새로운 FWM 과정을 통해 생성된다.
• 외부 자기장이 작용할 경우 복원된 프로브 장과 보조장이 동일한 주기로 감쇠 진동을 보이며, 이는 라르모르 스핀 프리세션 때문으로 기인한다.
• 이미지가 보조장 및 원래의 신호장 양쪽 모두에 성공적으로 저장되고 복원되어 저장 주기 전반에 걸쳐 이미지 유지가 확인되었다.
• 이 시스템은 냉각된 원자 군집에서 FWM을 이용한 이미지 저장 및 복원의 첫 번째 실험적 실현을 보여준다.
• 복원된 장에서 관측된 진동적 행동은 원자 매질 내의 공명 스핀 역학의 징후를 제공한다.