[论文解读] Quantum storage of 1650 modes of single photons at telecom wavelength

Shihai Wei, Bo Jing+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 2, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

该论文在1532 nm的电信波长下，利用10米长的低温冷却铒掺杂石英光纤中的原子频梳（AFC）协议，实现了1650模的光子量子存储。通过采用五个10 GHz带宽的光谱通道，每个通道支持最多330个时间模式，系统实现了对后脉冲单光子的同时多模存储，标志着向高速、光纤兼容的量子网络迈出了关键一步。

ABSTRACT

To advance the full potential of quantum networks one should be able to distribute quantum resources over long distances at appreciable rates. As a consequence, all components in the networks need to have large multimode capacity to manipulate photonic quantum states. Towards this end, a multimode photonic quantum memory, especially one operating at telecom wavelength, remains a key challenge. Here we demonstrate a spectro-temporally multiplexed quantum memory at 1532 nm. Multimode quantum storage of telecom-band heralded single photons is realized by employing the atomic frequency comb protocol in a 10-m-long cryogenically cooled erbium doped silica fibre. The multiplexing encompasses five spectral channels - each 10 GHz wide - and in each of these up to 330 temporal modes, resulting in the simultaneous storage of 1650 modes of single photons. Our demonstrations open doors for high-rate quantum networks, which are essential for future quantum internet.

研究动机与目标

• 实现与现有电信基础设施兼容的高容量、长距离量子网络。
• 克服在电信波长下光子量子存储器多模容量有限的挑战。
• 实现在光谱和时间自由度上同时存储大量单光子模式。
• 展示具有高存储容量和低串扰的实用、光纤兼容的量子存储器。
• 推动基于多模量子存储的未来量子互联网的发展。

提出的方法

• 在10米长的低温冷却铒掺杂石英光纤（EDF）中实现原子频梳（AFC）协议。
• 利用光频梳和频率啁啾，将光谱通道划分为五个5 GHz间隔、每段10 GHz带宽的通道。
• 使用低铒掺杂浓度的10米长EDF，以减少非辐射跃迁并延长存储寿命。
• 采用阻抗匹配的光纤内布拉格反射镜（DBR）构成谐振腔，增强光与物质的相互作用并提高存储效率。
• 利用铒离子的塞曼亚能级作为长寿命存储态，并施加磁场以稳定持久的空穴。
• 将信号光子存储前的等待时间优化至200 ms，以抑制自发发射引起的背景噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在电信波长下实现具有高存储容量的多模光子量子存储？
• RQ2 在长距离、低温冷却的EDF中，原子频梳（AFC）协议能否支持1650个时间与光谱模式的同时存储？
• RQ3 该系统中不同光谱-时间模式之间的串扰水平如何？
• RQ4 使用阻抗匹配的光纤内谐振腔如何提升存储效率和寿命？
• RQ5 为最小化自发发射引起的噪声，存储前的最优等待时间是多少？

主要发现

• 该系统在1532 nm波长下，以高保真度和低串扰成功存储了1650个不同的光谱-时间模式的后脉冲单光子。
• 通过所有1650个模式的g(2)(0)测量结果证实，不同光谱通道间的串扰可忽略不计。
• 在0.2 T磁场下，用于光谱整形的塞曼亚能级寿命达到0.278 ± 0.035 s，支持稳定的AFC形成。
• 将光子存储前的等待时间优化至200 ms，有效降低了自发发射引起的背景计数。
• 所有1650对模式的测量g(2)(0)值均接近1，表明光子聚束效应极低，具有高单光子特性。
• 采用阻抗匹配的光纤内DBR谐振腔显著增强了光与物质的相互作用，并在紧凑、光纤集成的平台上实现了高效存储。