[论文解读] Collective atom phase controls in photon echoes for quantum memory applications I: Population inversion removal

Byoung S. Ham|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2016

Quantum optics and atomic interactions参考文献 59被引用 7

一句话总结

本文提出了一种集体原子相位控制技术，以消除基于光子回波的量子存储器中的布居数反转，从而在三能级系统中实现接近单位的回波效率。通过应用受控的重相干脉冲，该方法在无需布居数反转的情况下实现了高保真度的光-自旋相干转换，解决了传统光子回波协议中长期存在的低效问题。

ABSTRACT

Photon echo-based quantum memories demonstrated in rare-earth doped solids over the last decade have solved the major constraint of population inversion in conventional photon echoes by using collective atom phase controls. Both atomic frequency comb and gradient echoes have also made a breakthrough in higher echo efficiency, where conventional photon echo efficiency remains at a few per cent. Here we review, analyze, and discuss the collective atom phase control applied to conventional photon echoes for quantum memory applications to clarify fundamental physics of coherent transients in a three-level system specifically for optical-spin coherence conversion in a controlled double rephasing echoes. Some critical misunderstandings in various protocols are also analyzed, and corrected for near unity echo efficiency under no population inversion.

研究动机与目标

• 解决传统光子回波量子存储器中布居数反转的根本限制。
• 实现在稀土掺杂固体中的高效光-自旋相干转换。
• 澄清现有协议中关于回波效率与相干控制的误解。
• 证明通过集体相位控制，可在无布居数反转的情况下实现接近单位的回波效率。
• 为三能级原子系统中的受控双次重相干提供理论框架。

提出的方法

• 将集体原子相位控制应用于三能级系统中原子相干的调控。
• 使用两个定制激光脉冲，诱导原子相干的受控双次重相干。
• 在相位受控激发下，对稀土掺杂晶体中的相干瞬态过程进行理论建模。
• 利用密度矩阵形式，分析无布居数反转条件下的回波效率。
• 将所提方法与传统光子回波和原子频率梳协议进行比较。
• 推导并验证在无布居数反转条件下实现最优回波形成的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保持高回波效率的同时，从光子回波过程中消除布居数反转？
• RQ2 集体原子相位控制在三能级系统中实现高保真度相干转移中起到何种作用？
• RQ3 为何一些现有协议因对布居数反转的错误假设而高估了回波效率？
• RQ4 能否通过受控重相干在无布居数反转的情况下实现接近单位的回波效率？
• RQ5 在稀土掺杂固体的相干瞬态过程中，回波效率的基本物理限制是什么？

主要发现

• 所提方法在无需布居数反转的情况下实现了接近单位的回波效率，克服了传统光子回波的主要限制。
• 当对双次重相干应用集体相位控制时，布居数反转并非实现高效回波的必要条件。
• 理论分析表明，以往协议常将回波效率错误归因于布居数反转，而实际上其根源在于相干控制。
• 受控双次重相干脉冲可精确操控光-自旋相干，显著提升存储保真度。
• 该方法适用于原子频率梳和梯度回波方案，使它们的效率突破传统回波的百分之几极限。
• 本研究纠正了现有量子存储协议中的关键误解，特别是关于布居数反转在回波形成中作用的错误认识。