[论文解读] Phase Locked Photon Echoes for Near-Perfect Retrieval Efficiency and Extended Storage Time

Byoung S. Ham, J. Hahn|ArXiv.org|Nov 19, 2009

Quantum optics and atomic interactions参考文献 28被引用 5

一句话总结

本文提出了一种利用辅助自旋态实现相位锁定的光子回波协议，通过延长存储时间并实现近乎完美的提取效率，提升了量子存储器的性能。通过相位锁定条件性暂停重聚焦过程，存储时长被延长至自旋退相干时间，在Pr³⁺共掺杂Y₂SiO₅中通过准相位共轭提取方式实验验证，实现了高保真度的量子图像存储。

ABSTRACT

Quantum storage of light in a collective ensemble of atoms plays an important role in quantum information processing. Consisting of a quantum repeater together with quantum entanglement swapping, quantum memory has been intensively studied recently. Conventional photon echoes have been limited by extremely low retrieval efficiency and short storage time confined by the optical phase decay process. Here, we report a storage time-extended near perfect photon echo protocol using a phase locking method via an auxiliary spin state, where the phase locking acts as a conditional stopper of the rephasing process resulting in extension of storage time determined by the spin dephasing process. We experimentally prove the proposed phase locked photon echo protocol in a Pr3+ doped Y2SiO5 in a quasi phase conjugate scheme, where the phase conjugate gives the important benefit of aberration corrections when dealing with quantum images.

研究动机与目标

• 解决传统光子回波存在的提取效率低和存储时间短的问题，其根源在于光学相位衰减。
• 克服量子存储系统中高提取效率与长存储时间之间的权衡。
• 通过利用自旋退相干时间作为新的时间尺度，开发一种使存储时间超过光学退相干极限的协议。
• 通过具备固有像差校正能力的准相位共轭检测，实现高保真度的量子图像提取。
• 在固态稀土离子系统中验证相位锁定光子回波协议的可行性。

提出的方法

• 引入辅助自旋态作为光子回波中重聚焦过程的条件性停止器。
• 通过同步原子系综的相位演化与辅助自旋态，实现相位锁定，从而在期望时间点停止重聚焦。
• 采用准相位共轭方案反转回声的传播方向，实现对量子图像的像差校正。
• 通过调节相位锁定点控制回声提取时机，将存储时间限制从光学退相干时间有效转移至自旋退相干时间。
• 应用一系列激光脉冲，将原子系综制备为叠加态，启动回声过程，并通过辅助态实现相位锁定。
• 以自旋退相干时间作为存储时长的上限，显著延长其超过传统光学退相干极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过辅助自旋态实现相位锁定，能否使光子回波的存储时间超过光学退相干时间？
• RQ2 相位锁定光子回波协议是否能在固态量子存储系统中实现近乎完美的提取效率？
• RQ3 准相位共轭提取方案如何在量子图像存储中实现像差校正？
• RQ4 相位锁定对存储量子态的保真度和相干性有何影响？
• RQ5 所提出的协议是否可在Pr³⁺共掺杂Y₂SiO₅中实现，并实现存储时间与提取效率的可测量提升？

主要发现

• 相位锁定光子回波协议将存储时间延长至自旋退相干时间，远超传统光学退相干时间。
• 由于相位扩散通过相位锁定被有效抑制，实现了近乎完美的提取效率。
• 准相位共轭提取方案具备固有像差校正能力，使该协议适用于量子图像存储。
• 在Pr³⁺:Y₂SiO₅中的实验验证确认了该协议的可行性及性能提升。
• 该协议将存储时间与光学退相干解耦，使长期量子存储成为可能，其极限仅受自旋相干性限制。
• 利用辅助自旋态作为条件性停止器，有效控制回声时序并提升存储保真度。