[论文解读] A Single-Photon-compatible Telecom-C-Band Quantum Memory in a Hot Atomic Gas

S. E. Thomas, S. Sagona-Stophel+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2022

Quantum optics and atomic interactions被引用 4

一句话总结

本论文提出了一种基于热⁴⁸Rb蒸气中非共振级联吸收（ORCA）的单光子兼容量子存储器，用于通信C波段光。其噪声水平达到创纪录的低值，对于亚单光子输入，信噪比（SNR）达1.9×10⁴，实现了每脉冲最低输入平均光子数为4.5(6)×10⁻⁶时SNR = 1，同时保持20.90(1)%的总存储效率和1.10(2) ns的多普勒限制存储时间。

ABSTRACT

The efficient storage and on-demand retrieval of quantum optical states that are compatible with the telecommunications C-band is a requirement for future terrestrial-based quantum optical networking. Spectrum in the C-band minimises optical fiber-propagation losses, and broad optical bandwidth facilitates high-speed networking protocols. Here we report on a telecommunication wavelength and bandwidth compatible quantum memory. Using the Off-Resonant Cascaded Absorption protocol in hot $^{87}$Rb vapour, we demonstrate a total memory efficiency of $20.90(1)\,\%$ with a Doppler-limited storage time of $1.10(2)\,$ns. We characterise the memory performance with weak coherent states, demonstrating signal-to-noise ratios greater than unity for mean photon number inputs above $4.5(6) imes10^{-6}$ per pulse.

研究动机与目标

• 在可扩展、室温运行的平台上，实现高效、低噪声的通信C波段光量子存储器。
• 克服现有通信C波段量子存储器的局限性，如高背景噪声、低温冷却或复杂的频率转换。
• 在热原子蒸气中，利用无噪声协议，实现宽带、按需输出的单光子兼容量子存储器。
• 在每脉冲平均光子数低于10⁻⁵的弱相干态下，实现高信噪比。
• 提供一种与现有光纤量子网络和单光子源兼容的实用型、高带宽解决方案。

提出的方法

• ORCA协议利用两束反向传播的光场，将其频率调谐至⁸⁷Rb蒸气中原子级联能级的双光子共振。
• 控制脉冲产生一个宽泛的虚态，从而实现信号脉冲向集体原子激发态的高效、相干吸收。
• 存储态为双激发态，基态无布居数，消除了自发辐射噪声，实现内在无噪声运行。
• 通过在可变存储时间后施加第二个控制脉冲，实现按需检索信号，从而实现完整的存储周期控制。
• 通过弱相干态表征噪声，并测量信噪比，以确定SNR = 1时所需的最小输入光子数。
• 存储效率计算为读入效率与读出效率的乘积，总效率达到20.90(1)%。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在热原子蒸气中实现通信C波段量子存储器，实现单光子级性能且噪声极低？
• RQ2 在宽带、按需输出的量子存储器中，实现信噪比为1所需的最小平均光子数是多少？
• RQ3 在噪声、效率和带宽方面，热⁸⁷Rb蒸气中的ORCA协议相较于其他量子存储平台表现如何？
• RQ4 ORCA协议能否在保持与现有通信光纤网络和单光子源兼容的同时，实现高存储效率？
• RQ5 在多普勒展宽的热原子蒸气中，使用ORCA协议的存储时间与噪声性能的根本极限是什么？

主要发现

• 总存储效率达到20.90(1)%，多普勒限制存储时间为1.10(2) ns。
• 对于每脉冲平均光子数为0.084的情况，测得信噪比为1.9(1)×10⁴。
• 实现SNR = 1所需的最小输入平均光子数为4.5(6)×10⁻⁶每脉冲，相比先前的ORCA演示提升了10倍。
• 检索出的单光子二阶关联度为g²(out) = 9(1)×10⁻⁶，表明其具有近乎理想的单光子特性。
• 单光子存储的输出保真度估计为99.9996%，证明了高保真度的量子态保真度。
• 该存储器工作带宽达GHz量级，与参量下转换和InGaAs量子点光源兼容。