[论文解读] Optical quantum memory with generalized time-reversible atom-light interactions

S. A. Moiseev, Wolfgang Tittel|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2008

Quantum optics and atomic interactions被引用 5

一句话总结

本文提出了一种广义光学量子存储器，利用非均匀加宽原子系综中的时间可逆拉曼相互作用，实现了对强场和非线性光场的存储。该方法将受控可逆非均匀加宽（RECRIB）与原子频梳（REAFC）统一于同一理论框架下，即使在光学相干时间较短的情况下也能实现高效率，并支持诸如频率转换等高级操控。

ABSTRACT

We examine a quantum memory scheme based on controllable dephasing of atomic coherence of a non-resonant, inhomogeneously broadened Raman transition. We show that it generalizes the physical conditions for time-reversible interaction between light and atomic ensembles from weak to strong fields and from linear to non-linear interactions. We also develop a unified framework for different realizations exploiting either controlled reversible inhomogeneous broadening or atomic frequency combs, and discuss new aspects related to storage and manipulation of quantum states.

研究动机与目标

• 将时间可逆量子存储扩展至弱场区域之外的强场和非线性相互作用。
• 在基于拉曼的量子存储中，将受控可逆非均匀加宽（RECRIB）与原子频梳（REAFC）统一于单一理论框架下。
• 通过利用直接拉曼转移，实现在光学相干时间较短的原子介质中高效存储量子态。
• 展示如何通过调控拉比频率和谱失谐，提升存储带宽并实现新型量子操作（如频率转换）。

提出的方法

• 该方案利用非共振、非均匀加宽的拉曼跃迁，通过受控的退相干实现量子态的存储。
• 通过可调拉比频率的写入脉冲诱导时间依赖的斯塔克位移，动态展宽拉曼跃迁以控制退相干。
• 在延迟后施加读出脉冲，反转退相干过程，使存储的光场相干地后向回声发射。
• 系统通过包含时间反演对称性的运动方程组进行建模，允许对任意场强下的效率进行分析。
• 利用高斯线型和有效光学深度，解析推导出效率表达式，分别给出RECRIB和REAFC协议的表达式。
• 该框架可通过调控控制场的载波频率、波矢和拉比频率，实现对光场的操控。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间可逆的光子回声量子存储中的相互作用能否推广至强场和非线性光场？
• RQ2 在基于拉曼的量子存储中，强场与弱场区域的时间可逆性条件有何不同？
• RQ3 受控可逆非均匀加宽（RECRIB）与原子频梳（REAFC）能否在单一理论框架下统一于量子存储中？
• RQ4 场强与非线性对非均匀加宽原子系综中量子存储的效率与带宽有何影响？
• RQ5 如何将量子存储协议扩展以支持额外操作，如频率转换与量子压缩？

主要发现

• 本文将时间可逆原子-光相互作用推广至强场与非线性相互作用，将量子存储的有效性扩展至弱场区域之外。
• 开发了一套统一框架，将RECRIB与REAFC协议统一于基于可控退相干的拉曼跃迁的单一描述下。
• RECRIB协议的效率为 ε = exp{−Γ²(t₁ + t₂)²}|1 − e⁻αeffL|²，其中 αeff 和 Γ 取决于自然和受控的非均匀加宽。
• 对于REAFC，有效光学深度满足 αeff ∝ γ/δcomb，退相干速率满足 Γ = fγ，从而在大频梳带宽下实现高效率。
• 数值结果表明，相同光学深度下REAFC的效率高于RECRIB，且最大效率随 αoL 增大而提高。
• 该框架通过调控控制场的拉比频率与波矢，实现了频率转换与量子压缩等新功能。