[论文解读] Quantum interface between frequency-uncorrelated down-converted entanglement and atomic-ensemble quantum memory

Xian‐Min Jin, Jian Yang+16 more|arXiv (Cornell University)|Apr 27, 2010

Quantum optics and atomic interactions参考文献 43被引用 6

一句话总结

该论文首次通过电磁诱导透明度（EIT）实现了频率无关联的自发参量下转换（SPDC）纠缠光子与远程原子系综量子存储器之间的实验性量子接口。该系统实现了92%的平均保真度，用于存储触发的单光子，并将偏振纠缠保持长达1微秒，且清晰违反了CHSH贝尔不等式，证明了相干量子存储的实现。

ABSTRACT

Photonic entanglement source and quantum memory are two basic building blocks of linear-optical quantum computation and long-distance quantum communication. In the past decades, intensive researches have been carried out, and remarkable progress, particularly based on the spontaneous parametric down-converted (SPDC) entanglement source and atomic ensembles, has been achieved. Currently, an important task towards scalable quantum information processing (QIP) is to efficiently write and read entanglement generated from a SPDC source into and out of an atomic quantum memory. Here we report the first experimental realization of a quantum interface by building a 5 MHz frequency-uncorrelated SPDC source and reversibly mapping the generated entangled photons into and out of a remote optically thick cold atomic memory using electromagnetically induced transparency. The frequency correlation between the entangled photons is almost fully eliminated with a suitable pump pulse. The storage of a triggered single photon with arbitrary polarization is shown to reach an average fidelity of 92% for 200 ns storage time. Moreover, polarization-entangled photon pairs are prepared, and one of photons is stored in the atomic memory while the other keeps flying. The CHSH Bell's inequality is measured and violation is clearly observed for storage time up to 1 microsecond. This demonstrates the entanglement is stored and survives during the storage. Our work establishes a crucial element to implement scalable all-optical QIP, and thus presents a substantial progress in quantum information science.

研究动机与目标

• 建立频率无关联SPDC源产生的光子纠缠与远程原子系综量子存储器之间的量子接口。
• 克服SPDC光子频率相关性带来的挑战，以实现高效量子存储集成。
• 实现偏振纠缠光子对的可逆存储与读出，且保真度高。
• 证明在集体原子态中存储期间量子纠缠得以保持。
• 通过实现长寿命、相干的光量子存储，推动可扩展的全光量子信息处理。

提出的方法

• 利用短脉冲泵浦，生成5 MHz的频率无关联SPDC源，以最小化纠缠光子间的光谱相关性。
• 采用电磁诱导透明度（EIT）将光子量子比特相干地映射到冷铯原子系综的集体激发态上。
• 系统采用双路径协议，将具有任意偏振态的触发单光子存储于原子存储器中。
• 生成偏振纠缠光子对，其中一光子被存储于原子系综中，另一光子被发送至远端探测器以进行贝尔态测量。
• 在存储后测量CHSH贝尔不等式，以验证量子纠缠的保持。
• 采用时间分辨探测方案，确保高保真度的读出与存储量子态的表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过EIT高效地将频率无关联SPDC源与原子系综量子存储器接口连接？
• RQ2 在集体原子态中，偏振纠缠的最长保持时间是多少？
• RQ3 存储过程中，存储单光子态的保真度随时间衰减的程度如何？
• RQ4 在光子存储后，能否在实验中观测到CHSH贝尔不等式的违反，从而确认纠缠的保持？
• RQ5 纠缠光子之间的光谱相关性对量子存储操作的效率与保真度有何影响？

主要发现

• 系统在200 ns的存储时间内，对具有任意偏振态的触发单光子实现了92%的平均保真度。
• 通过使用适当整形的泵浦脉冲，有效消除了纠缠光子间的频率相关性，从而实现了高保真度的存储操作。
• 偏振纠缠光子对成功存储于原子系综中，且CHSH贝尔不等式的违反在长达1微秒的存储时间内持续存在。
• 测得的贝尔参数超过经典极限，证实了在存储过程中量子纠缠得以保持。
• 即使在长时间存储下，保真度仍保持较高水平，证明了基于EIT的量子存储器具有良好的相干性与稳定性。
• 结果建立了光子纠缠与原子系综存储器之间的功能性量子接口，是迈向可扩展全光量子信息处理的关键一步。