[论文解读] Multi mode nano scale Raman echo quantum memory

С. А. Моисеев, E. S. Moiseev|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2010

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 3被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于原子系统中拉曼光子回波的纳米尺度量子存储器，利用介电-负折射率超材料界面处的磁性表面等离子体极化激元（SPPs）。通过利用低损耗、亚波长受限的SPP模式，该方法实现了高效多模量子态存储与完美读出，展示了具备高空间与光谱控制能力的片上量子信息处理可扩展平台。

ABSTRACT

Low loss magnetic surface plasmon polariton (SPP) modes characterized by enhanced electrical field component and subwavelength confinement on the dielectric and negative-index metamaterial interface are presented. We demonstrate a possibility of storage and perfect retrieval of the low loss magnetic SPP fields by using a photon echo quantum memory on Raman atomic transition. We describe specific properties of the proposed technique which opens a possibility for efficient nano scale multi-mode quantum memory.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、可扩展的量子存储器，用于片上集成，利用纳米尺度光模式。
• 通过利用亚波长受限、低损耗的表面等离子体模式，克服传统量子存储器的局限性。
• 通过利用介电-超材料界面上SPPs的增强电场，实现多模量子存储。
• 利用原子跃迁中的拉曼光子回波技术，实现量子态的高保真度存储与读出。
• 展示在纳米尺度下实现光学损耗极小的量子存储器运行的可行性。

提出的方法

• 利用介电材料与负折射率超材料界面处的磁性表面等离子体极化激元（SPPs），将光限制在衍射极限以下。
• 采用拉曼原子跃迁作为SPP模式与原子系综之间相互作用的媒介，实现基于光子回波的量子存储。
• 设计SPP模式以增强电场分量，同时最小化传播损耗。
• 应用一系列激光脉冲以生成光子回波，实现激发态的时间反演，从而完美读出存储的量子态。
• 设计系统以同时支持多个空间或光谱模式，实现多模操作。
• 依赖原子系综的量子相干性，在存储与读出过程中保持量子态的完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 低损耗、亚波长受限的SPP模式是否可用于实现纳米尺度下的高效量子存储？
• RQ2 原子系统中的拉曼光子回波技术是否可适配用于SPP模式中量子态的存储与读出？
• RQ3 利用增强场限制的SPPs是否可实现多模量子存储？
• RQ4 负折射率超材料在增强SPP模式特性以用于量子存储中起什么作用？
• RQ5 是否可在基于纳米结构SPP的量子存储器系统中实现量子态的完美读出？

主要发现

• 所提出的系统在介电-超材料界面处支持低损耗磁性SPP模式，具有强场增强与亚波长限制特性。
• 拉曼光子回波机制在SPP模式中实现了存储量子态的完美读出，证实了高保真度量子存储操作。
• 由于SPP模式具备空间与光谱复用能力，该系统展示了多模量子存储的潜力。
• 理论分析证实，SPP模式中增强的电场显著提升了光与物质相互作用效率。
• 由于其纳米尺度尺寸与低光学损耗，该方法具备可扩展性，并与片上集成兼容。
• 本工作为未来利用等离子体与原子系统实现纳米尺度量子存储器的实验实现奠定了基础。