[论文解读] Echo-Based Quantum Memory

Geoff Campbell, K. R. Ferguson+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 12, 2019

Quantum optics and atomic interactions参考文献 3被引用 4

一句话总结

本文综述了基于回声的量子存储协议——梯度回声记忆（GEM）、原子频梳（AFC）和重相位放大自发发射（RASE）——这些协议可实现光量子态的高效、按需存储与读出。通过逆转非均匀展宽以重新聚焦原子相干性，这些方案实现了高召回效率、多模式操作以及纠缠态的保真存储，其中RASE首次成功实现了量子纠缠的存储。

ABSTRACT

In this book chapter we review photon echo based schemes for optical quantum memory. We outline the basic principles of the Atomic Frequency Comb (AFC), Gradient Echo Memory (GEM) and Rephased Amplified Spontaneous Emission (RASE) protocols. We describe the properties of the rare-earth ion and gaseous vapours ensembles that have been used to carry out experimental demonstrations. These experiments are then discussed with reference to relevant classical and quantum performance criteria.

研究动机与目标

• 为解决长距离光量子通信中非确定性的问题，实现可按需存储与读出量子态的量子存储器。
• 通过工程化的时间反演非均匀展宽，克服传统光吸收带来的不可逆退相干与再吸收等限制。
• 识别并评估三种主流的基于回声的协议——GEM、AFC与RASE——在效率、带宽、多模式能力及噪声性能方面的表现。
• 指出材料方面的挑战，并提出未来发展方向，包括利用稀土掺杂晶体与集成波导开发高性能量子存储器。

提出的方法

• 利用稀土离子系综的非均匀展宽特性，其中光学跃迁频率在系综内存在频谱展宽。
• 采用时间反演技术：GEM通过反转跃迁频率的空间梯度以重新聚焦相干性；AFC通过周期性光谱梳实现无源回声形成。
• 对于RASE，利用粒子数反转跃迁生成一对纠缠光子，其中一个通过重新聚焦存储于介质中，实现按需读出。
• 利用光学控制脉冲（如π脉冲）和外场调控能级结构，诱导可逆展宽。
• 应用光谱滤波与探测技术（如外差检测）从自由感应衰减等噪声源中分离量子信号。
• 采用波导集成与材料工程（如Pr3+:YSO、Tm3+:LiNbO3、167Er3+:YSO）提升光学深度，并增强与光纤网络的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计光子回声协议以逆转不可逆吸收，实现高效、低噪声的量子存储？
• RQ2 在GEM、AFC与RASE协议之间，召回效率、带宽、多模式容量与噪声性能之间存在何种权衡？
• RQ3 基于回声的方案能否实现高保真度与纠缠态保真存储的按需量子态读出？
• RQ4 实现长存储时间、高光学深度与大带宽的基于回声的量子存储器，其关键材料特性是什么？
• RQ5 系统级集成（如波导、谐振腔）与噪声抑制技术如何提升这些存储器的可扩展性与性能？

主要发现

• GEM通过前向方向回声发射消除再吸收，实现高达90%的高召回效率，无需使用反向传播脉冲。
• AFC存储器展现出大容量多模式与高带宽特性，实验已在Pr3+:YSO与Tm3+:LiNbO3波导中实现，光学深度最高达100。
• RASE是迄今唯一成功实现量子态存储与读出并保持连续变量纠缠的协议，对不可分性判据的置信度违反达98.6%。
• 四能级RASE方案实现了3%的召回效率，理论预测在阻抗匹配谐振腔下效率可接近100%。
• 167Er3+:YSO在未使用ZEFOZ技术下展现出1.3秒的超精细相干时间，具备实现GHz带宽存储与与1550 nm通信波段兼容的潜力。
• 基于波导的Tm3+:LiNbO3与Pr3+:YSO的AFC存储器展现出与集成光子学的兼容性，并因模场体积小而有望实现非线性光学门操作。