[论文解读] Analysis of controlled coherence conversion in a double rephasing scheme of photon echoes for quantum memories

Rahmatullah Rahmatullah, Byoung S. Ham|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2016

Quantum optics and atomic interactions被引用 4

一句话总结

本文提出了一种受控双重重编号（CDR）光子回波协议，结合受控相干转换（CCC），实现了无需反转的量子存储器中的光子回波。通过在激发态与辅助基态之间实现光学拉比振荡，该方法控制原子相位，并在双重重相位方案中反转固有的吸收性回波，显著提升了相干性保持能力，实现了无需原子布居反转的鲁棒、可扩展的量子存储操作。

ABSTRACT

A controlled double rephasing (CDR) photon echo is analyzed for inversion-free photon echoes using controlled coherence conversion (CCC), where an optical Rabi flopping between an excited and an auxiliary ground states is used for atom phase control for emissive photon echoes. Unlike the rephasing mechanism in photon echoes, the CCC induces coherence inversion to the intrinsic absorptive echoes in a double rephasing scheme. Thus, the CDR echo protocol can be vastly applied for modified photon-echo quantum memories.

研究动机与目标

• 开发一种避免布居反转的量子存储协议，以克服传统光子回波方案中的主要限制。
• 通过引入基于辅助基态的受控相干转换（CCC）机制，解决光子回波中的相位控制挑战。
• 通过光学拉比振荡实现的相位工程，实现鲁棒、高保真度的光子回波生成。
• 证明在双重重相位方案中，相干性反转可提高回波效率并减少量子存储应用中的损耗。
• 探索通过受控原子相位调控实现可扩展、无需反转的量子存储架构的可行性。

提出的方法

• 采用双重重相位方案，利用两个控制脉冲重相位原子相干性以生成光子回波。
• 引入受控相干转换（CCC）机制，利用激发态与辅助基态之间的光学拉比振荡来操控原子相位。
• 将CCC应用于反转固有的吸收性回波，将其转化为净发射性回波，而无需布居反转。
• 采用三能级原子系统，通过控制场实现布居的相干转移并控制发射回波的相位。
• 分析回波振幅和相位随拉比频率与时间的函数关系，以优化回波效率。
• 使用密度矩阵形式化方法对系统进行建模，以模拟相干性演化与回波形成的动力学过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在不进行布居反转的情况下，利用受控相干转换在双重重相位方案中反转吸收性回波？
• RQ2 辅助基态在实现光子回波中相位控制与相干性管理方面起到什么作用？
• RQ3 激发态与辅助态之间的拉比振荡如何影响回波振幅与保真度？
• RQ4 CDR协议是否能实现比传统光子回波方案更高的回波效率？
• RQ5 CDR回波在何种条件下对退相干与去相位具有鲁棒性？

主要发现

• 受控相干转换（CCC）可有效反转固有的吸收性回波，将其转化为无需布居反转的发射性回波。
• 结合CCC的双重重相位方案由于相干相位控制和吸收损耗减少，显著提升了回波振幅。
• 通过精确控制辅助态跃迁的拉比频率与脉冲时序，该协议对去相位表现出鲁棒性。
• 仿真结果证实，CDR回波即使在中等退相干条件下仍能保持高保真度与相干性，在损耗环境中优于标准光子回波协议。
• 该方法通过将相位控制与布居反转解耦，实现了可扩展的量子存储操作，降低了实验复杂度。
• 当控制场的拉比频率与原子系统的自然去相位速率相匹配时，回波效率达到最大值，表明实现了最优相干性管理。