[论文解读] Quantum Memory and Optical Transistor Based on Electromagnetically Induced Transparency in Optical Cavities

R. R. Oliveira, H. S. Borges+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2016

Quantum optics and atomic interactions被引用 4

一句话总结

本文提出了一种理论框架，通过电磁诱导透明（EIT）技术，利用单个原子在高 finesse 光学腔中实现高效量子存储和光学晶体管。通过在 Λ 型三能级系统中实现光子量子比特态到暗态的绝热转移，研究表明单侧腔可实现接近 100% 的量子存储效率，而对称双侧腔则支持 100% 对比度的理想光学晶体管操作，尽管存储效率上限为 50%。

ABSTRACT

We theoretically studied the implementation of a quantum memory and an optical transistor in a system composed by a single atom trapped inside a high finesse cavity. In order to store and map the quantum state of an input pulse onto internal states of the single atom (quantum memory) we employ the electromagnetically induced transparency (EIT) phenomenon (which can work out as an optical transistor) where the information can be transferred to the dark state of the atom modelled by a three-level system in a Λ-type configuration. In our model we consider a suitable temporal shape for the control field that ensures the adiabaticity of the storage process and retrieval of the probe pulse. The dynamic of the field inside the cavity was obtained by master equation approach, while the outside field was calculated by input-output formalism. We have analysed two different setups: i) two-sided and ii) single-sided cavities. While the first setup is the most appropriate and commonly used to observe cavity-EIT in the transmission spectrum, thus the best configuration for the optical transistor, the maximum quantum memory efficiency can not reach reasonable values, being limited to 50% for symmetric cavities. On the other hand, with single-sided cavity the quantum memory efficiency increases considerably and can reach values close to 100% in the strong atom-field coupling regime. However this specific setup is not favourable to observe the cavity-EIT effect in the transmission spectrum and then it is not appropriate to control the transmission of light pulses.

研究动机与目标

• 开发一种基于单个捕获原子在光学腔中实现高效量子存储与光学晶体管的理论模型。
• 研究腔镜反射率（双侧与单侧）对量子存储效率与光学晶体管性能的影响。
• 通过调节原子-场耦合与控制场动力学，在绝热条件下优化存储效率。
• 确定 EIT 基于的光传输控制与相干态映射最大化的条件。
• 解决腔 QED 系统中高量子存储效率与有效光学晶体管功能之间的权衡问题。

提出的方法

• 将原子建模为与单模光学腔耦合的 Λ 型三能级系统，采用主方程方法描述其内部动力学。
• 应用输入-输出形式化方法计算外部场振幅，包括反射与透射分量。
• 使用具有定制时间轮廓的绝热控制场，以确保探测脉冲相干地映射到原子暗态。
• 分析两种腔结构配置：对称与非对称双侧腔，以及单侧腔，以比较其在存储与晶体管功能中的性能。
• 推导有效衰减率 γ = g²/Γ₃₁，以确定单侧腔中完全散射光与零输出场的条件。
• 通过数值模拟系统在不同原子-场耦合强度 g 与腔衰减率 κ 下的表现，识别出完全散射与零输出的条件为 g ≈ 0.8κ。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高 finesse 腔中的单原子系统是否可通过 EIT 实现接近 100% 的量子存储效率？
• RQ2 腔镜不对称性如何影响量子存储效率与光学晶体管对比度之间的权衡？
• RQ3 实现高保真度量子存储与高对比度光学晶体管操作的最佳配置是什么？
• RQ4 在何种条件下，原子-腔系统会完全散射入射光，导致输出场为零？
• RQ5 在单侧腔中，相位测量能否区分反射与透射场，以观测 EIT 效应？

主要发现

• 在单侧腔中，当原子-场耦合强度较强时，量子存储效率可接近 100%，使其成为量子存储应用的理想选择。
• 在对称双侧腔中，当控制场开启与关闭时，光学晶体管可实现 100% 的透射对比度，表现出理想的开关行为。
• 在对称双侧腔中，无论耦合强度如何，量子存储效率的最大值被限制在 50%，这是由于镜面反射率对称所致。
• 在非对称双侧腔中（如先前实验所用），存储效率上限约为 8.5%，因此不适合实际量子存储应用。
• 当 γ = κ 时，探测场被完全散射（输出场为零），其中 γ = g²/Γ₃₁ 为有效衰减率。
• g ≈ 0.8κ 的完全散射条件在解析上通过稳态解验证，并在数值模拟中得到确认，模型中假设 Γ₃₁ = 0.6κ。