[论文解读] A room-temperature noise-free quantum memory for broadband light

K. T. Kaczmarek, Patrick M. Ledingham+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2017

Quantum optics and atomic interactions被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于热原子气体内双光子非共振级联吸收（ORCA）的无噪声量子存储协议，实现了对GHz带宽的后选单光子的无噪声存储与按需释放。关键结果经实验验证，光子统计特性得以保持，证明了其固有的无噪声运行，这对可扩展的光子量子网络至关重要。

ABSTRACT

Quantum networks promise to revolutionise computing, simulation, and communication. Light is the ideal information carrier for quantum networks, as its properties are not degraded by noise in ambient conditions, and it can support large bandwidths enabling fast operations and a large information capacity. Quantum memories, devices that store, manipulate, and release on demand quantum light, have been identified as critical components of photonic quantum networks, because they facilitate scalability. However, any noise introduced by the memory can render the device classical by destroying the quantum character of the light. Here we introduce an intrinsically noise-free memory protocol based on two-photon off-resonant cascaded absorption (ORCA). We consequently demonstrate for the first time successful storage of GHz-bandwidth heralded single photons in a warm atomic vapour with no added noise; confirmed by the unaltered photon statistics upon recall. Our ORCA memory platform meets the stringent noise-requirements for quantum memories whilst offering technical simplicity and high-speed operation, and therefore is immediately applicable to low-latency quantum networks.

研究动机与目标

• 解决量子存储中噪声带来的关键挑战，因为噪声会破坏存储光的量子相干性。
• 开发一种在室温下运行且具有内在噪声抑制能力的量子存储协议，避免对低温冷却或复杂纠错技术的依赖。
• 实现高带宽、高速的量子光存储与读取，以满足实际光子量子网络的需求。
• 证明光子统计特性在存储与读取后保持不变，确认无额外噪声引入。
• 提供一种技术简单、可扩展的平台，可集成于低延迟量子通信系统中。

提出的方法

• 实施双光子非共振级联吸收（ORCA）协议，实现在热原子气体内相干、无噪声的光存储。
• 利用双光子跃迁级联，实现输入光与原子系统之间强而相干的耦合，同时避免长寿命激发态的占据。
• 采用热铷原子气作为存储介质，实现在室温下运行，无需低温制冷设备。
• 使用带宽为几GHz的后选单光子测试存储器在真实量子通信条件下的性能。
• 通过控制场将光激发相干地转移至长寿命的原子叠加态以实现存储。
• 通过反转控制场序列实现按需读取，释放存储的量子态且不引入额外噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种室温量子存储器，在存储与读取过程中完全不引入任何附加噪声？
• RQ2 ORCA协议是否能在热原子气体内实现对宽带单光子的无噪声存储？
• RQ3 输入光的量子特性在存储与读取后在多大程度上得以保持，其证据来自光子统计特性？
• RQ4 ORCA存储器能否实现高速运行并具备适合真实世界量子网络的可扩展性？
• RQ5 ORCA平台的技术简洁性是否足以支持其在低延迟量子通信系统中的实际部署？

主要发现

• 基于ORCA的量子存储器成功实现了GHz带宽后选单光子的无噪声存储与读取。
• 读取后光子统计特性保持不变，证实了光的量子特性得以保持，且无噪声引入。
• 该存储器在室温下运行，无需低温冷却，显著提升了技术可行性。
• 该平台展现出高速运行能力，适用于低延迟量子网络。
• ORCA协议固有的无噪声特性使其成为可扩展光子量子网络的有力候选。
• 实验结果验证了非共振级联吸收理论框架作为实现无噪声量子存储的可行路径。