[论文解读] Quantum memory for light: large efficiency at telecom wavelength

Julián Dajczgewand, Jean-Louis Le Gouët+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2013

Quantum optics and atomic interactions被引用 16

一句话总结

该论文在铒掺杂的Y2SiO5中，利用ROSE协议在电信波段实现了40%的量子存储效率，通过优化偏振、磁场和晶体轴对准，实现了高效率。该方法避免了态制备，利用前向回声探测，并通过非共线光束几何结构和正交偏振抑制噪声。

ABSTRACT

We implement the ROSE protocol in an erbium doped solid, compatible with the telecom range. The ROSE scheme is an adaptation of the standard 2-pulse photon echo to make it suitable for a quantum memory. We observe an efficiency of 40% in a forward direction by using specific orientations of the light polarizations, magnetic field and crystal axes.

研究动机与目标

• 在铒掺杂的Y2SiO5中实现ROSE量子存储协议，以实现与电信波段兼容的量子存储。
• 克服铒掺杂固体中的挑战，如光学泵浦动力学差和光谱空穴烧蚀困难。
• 通过消除态制备和减少重相位脉冲引起的噪声，实现在前向方向的高存储效率。
• 确定实现最大效率的光束、偏振、磁场和晶体轴取向。

提出的方法

• 采用ROSE协议，利用两个重相位脉冲在无需态制备的情况下反转布居并重相位相干性。
• 采用非共线、准反向传播光束与正交偏振，将回声与强重相位脉冲隔离。
• 将磁场方向设置为相对于D1轴在D1–D2平面内为135°，以最小化电子自旋涨落并维持相干性。
• 将晶体冷却至1.8 K，将光学相干时间延长至400 μs，通过ROSE衰减测量并经标准2PE序列验证。
• 采用包含参数η_pop和η_phase的拟合模型，描述布居返回和重相位不完善的情况，实现对实验数据的定量拟合。
• 通过描述回声增长与衰减的微分方程推导理论效率，得到包含退相干和不完善性的修正表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 ROSE协议是否能在Er3+:Y2SiO5中实现高存储效率，而无需态制备或光谱空穴烧蚀？
• RQ2 在具有双折射性和各向异性的Y2SiO5中，磁场、晶体轴和光束偏振的何种特定取向可使前向回声效率最大化？
• RQ3 重相位脉冲的不完善性如何影响测得的存储效率？是否可进行定量建模？
• RQ4 退相干和光谱扩散对Er3+:Y2SiO5中可实现带宽和复用容量有何影响？
• RQ5 为何通过ROSE测得的T2值（400 μs）与标准2PE测得的T2值（1.4 ms）存在差异？这对存储性能有何影响？

主要发现

• 实验在前向方向实现了40%的存储效率，接近该配置下理论最大值54%。
• 最优配置采用相对于D1轴在D1–D2平面内为135°的磁场方向，可最小化电子自旋涨落。
• 正交偏振与非共线光束几何结构有效抑制了重相位脉冲及其反射对回声的污染。
• 采用η_pop = 80%和η_phase = 85%的拟合模型准确描述了实验数据，表明重相位质量良好。
• 通过ROSE衰减测得的T2为400 μs，显著短于标准2PE测得的1.4 ms，表明存在瞬时光谱扩散。
• 结果证明了在Er3+:Y2SiO5中实现高效率、电信波段量子存储的可行路径，且由于具有500 MHz的非均匀线宽，具备复用潜力。