[论文解读] Atom phase controlled noise-free photon echoes

Byoung S. Ham|arXiv (Cornell University)|Jan 28, 2011

Quantum optics and atomic interactions参考文献 21被引用 11

一句话总结

本文提出一种通过去壳化实现原子相位控制的无噪声光子回声协议，以消除布居数反转，从而实现近乎完美的提取效率和延长存储时间的量子存储应用。通过精确控制原子相位态，该方法抑制了量子噪声，同时保持了高保真度的光学生信息提取。

ABSTRACT

Rephasing in photon echoes is a fundamental mechanism of retrieving optical information stored in a collective ensemble of atoms or ions. With an extremely weak quantum optical data, population inversion by the rephasing process is inevitable resulting in serious quantum noise. Here, an inversion-free rephasing method in photon echoes is presented by using deshelving-based atom phase control. The present method makes photon echoes directly applicable to quantum memories with benefits of extended photon storage time and nearly perfect retrieval efficiency. In this revised version only the rephasing pulse propagation direction is corrected to make a silent echo of E1 in Fig. 1.

研究动机与目标

• 解决传统光子回声系统在重相位过程中因布居数反转导致的量子噪声这一基本挑战。
• 克服传统光子回声在量子存储应用中因噪声导致性能下降的局限性。
• 开发一种避免布居数反转但保持高提取效率的重相位机制。
• 实现具有长存储时间与近似理想保真度的实用化、可扩展量子存储系统。
• 展示一种通过控制原子相位态实现静默、无噪声回声发射的新方法。

提出的方法

• 利用基于去壳化的原子相位控制技术，操纵原子集合的量子态，而不会引起布居数反转。
• 采用两能级原子系统，通过光学泵浦和选择性激发控制原子相干性的相位。
• 通过控制重相位脉冲传播方向，抑制自发发射和噪声，确保实现静默回声。
• 依赖集体原子相干性，以高保真度存储和提取光学信息。
• 应用定制化的激光脉冲序列，实现无布居数反转的相位控制与重相位。
• 在最终版本中修正重相位脉冲传播方向，以消除不必要的回声分量，如图1所示。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无布居数反转的情况下生成光子回声，以彻底消除量子噪声？
• RQ2 如何利用原子相位控制来抑制重相位过程中的自发发射和噪声？
• RQ3 基于去壳化的相位控制对回声提取效率和存储时间有何影响？
• RQ4 能否在保持高保真度光学生信息提取的同时实现无噪声光子回声？
• RQ5 控制重相位脉冲传播方向对回声质量与噪声抑制有何影响？

主要发现

• 所提出的方法在重相位过程中成功消除了布居数反转，从而抑制了传统光子回声中固有的量子噪声。
• 通过修正重相位脉冲传播方向，实现了静默回声，如修订版图1所示。
• 由于消除了布居数反转引起的噪声，系统实现了近乎完美的提取效率。
• 由于无噪声机制可长期保持相干性，因此实现了更长的光子存储时间。
• 基于去壳化的相位控制可直接应用于量子存储器，显著提升性能指标。
• 该方法为利用集体原子集合实现可扩展、高保真度量子存储提供了一条切实可行的路径。