[论文解读] Entanglement of light-shift compensated atomic spin waves with telecom light

Y. O. Dudin, A. G. Radnaev+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2010

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本论文展示了在1064 nm光晶格中，795 nm光偏振量子比特与长寿命原子自旋波记忆量子比特之间的纠缠，通过磁场补偿和双光子光移抵消实现了退相干抑制。纠缠通过波长转换在电信（1367 nm）波段与光纤传输中得以保持，0.1 s存储时间时通过贝尔不等式违背（S = 2.65 ± 0.12）得到验证。

ABSTRACT

Entanglement of a 795 nm light polarization qubit and an atomic Rb spin wave qubit for a storage time of 0.1 s is observed by measuring the violation of Bell's inequality (S = 2.65 \pm 0.12). Long qubit storage times are achieved by pinning the spin wave in a 1064 nm wavelength optical lattice, with a magic-valued magnetic field superposed to eliminate lattice-induced dephasing. Four-wave mixing in a cold Rb gas is employed to perform light qubit conversion between near infra red (795 nm) and telecom (1367 nm) wavelengths, and after propagation in a telecom fiber, to invert the conversion process. Observed Bell inequality violation (S = 2.66 \pm 0.09), at 10 ms storage, confirms preservation of memory/light entanglement through the two stages of light qubit frequency conversion.

研究动机与目标

• 通过在光晶格中抑制退相干，稳定原子自旋波，实现用于量子网络的长寿命量子存储。
• 通过实现795 nm与1367 nm之间低损耗、高保真度的波长转换，实现原子存储量子比特与基于光纤的电信网络兼容。
• 通过双阶段频率转换和光纤传输，保持存储量子比特与电信光量子比特之间的量子纠缠。
• 通过使用魔法磁场和双光子补偿消除非均匀ac-Stark移位，将原子自旋波量子比特的存储时间延长至10 ms以上。

提出的方法

• 使用1064 nm的1D光晶格定位87 Rb原子，减少运动引起的退相干，实现长存储时间。
• 施加磁场通过双光子光移补偿消除非均匀ac-Stark移位，稳定钟态量子比特。
• 利用冷Rb原子气中的四波混频，通过级联跃迁（e→d 和 a↔c）实现795 nm（NIR）与1367 nm（电信）之间高效且偏振稳定的波长转换。
• 将信号场分为H-和V-偏振分量，V分量延迟235 ns以在转换过程中保持时间重叠。
• 通过包含偏振分束器和波片的干涉测量装置稳定偏振态，在波长转换和光纤传输过程中保持量子关联。
• 在提取后测量贝尔不等式违背（S）以验证纠缠的保持，探测使用Si和InGaAs/InP单光子探测器。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1D光晶格中，原子自旋波量子比特能否在保持与795 nm光量子比特纠缠的同时存储超过0.1秒？
• RQ2 通过双阶段波长转换（NIR至电信波段及反向）和100 m光纤传输，能否保持存储量子比特与电信光量子比特之间的纠缠？
• RQ3 能否有效补偿光晶格中光移引起的退相干，从而延长存储相干时间？
• RQ4 使用该混合系统，与电信场量子比特纠缠的自旋波量子比特的最大存储时间是多少？
• RQ5 在真实网络环境中，波长转换和光纤传输过程中偏振态保持的保真度如何比较？

主要发现

• 通过贝尔不等式违背（S = 2.65 ± 0.12）证实，795 nm光量子比特与原子自旋波量子比特之间的纠缠在长达0.1 s内得以保持。
• 存储时间受限于沿阱轴方向的原子运动，表明采用2D或3D光晶格可进一步延长相干时间。
• 在波长转换至1367 nm并经过100 m电信光纤传输后，10 ms存储时间时纠缠仍得以保持，S = 2.66 ± 0.09。
• 波长转换过程中H-和V-偏振分量的转换效率达到54%，且偏振稳定性在两天内保持不变。
• 从输入到最终探测的联合传输效率为7.5(5)%，主要受被动损耗和光纤耦合限制，未观察到偏振条纹的显著漂移。
• 测得的相关函数E(θs, θi)随角度呈正弦依赖，与量子纠缠一致，且在1 μs和10 ms存储时间下S值均超过经典极限（S > 2）。