[论文解读] Room temperature quantum memory and scalable single photon source based on motional averaging

Johannes Borregaard, Michael Zugenmaier+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 16, 2015

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文提出了一种基于热原子气中运动平均效应的室温量子存储器与可扩展单光子源。通过设计光-原子相互作用，使原子多次穿过光束并应用光谱滤波，该方法消除了原子的‘身份信息’，从而实现高效且均匀的耦合，以创建和存储集体自旋波，并在具有自旋保护涂层的微腔中完成了实验验证。

ABSTRACT

Quantum interfaces between photons and ensembles of atoms have emerged as powerful tools for quantum technologies. High fidelity storage and retrieval of a photon in a collective quantum state of many atoms requires long-lived collective superposition states typically achieved with immobilized atoms. Thermal atomic vapors, present a simple and scalable resource, have been so far only used for continuous variable processing or for discrete variable processing on short time scales where atomic motion is negligible. We develop a theory based on the concept of motional averaging to enable room temperature discrete variable quantum memories and coherent single photon sources. We show that by choosing the interaction so that atoms can cross the light beam several times during the interaction and by suitable spectral filtering, we erase the which atom information and obtain an efficient and homogenous coupling between all atoms and the light. Heralded single excitations can thus be created and stored as collective spinwaves, can later be read out to produce coherent single photons in a scalable fashion. We demonstrate the feasibility of this approach to scalable quantum memories with a proof of principle experiment with room temperature atoms contained in microcells with spin protecting coating, placed inside an optical cavity.

研究动机与目标

• 利用热运动原子实现在室温下的高保真度量子存储器与单光子源操作。
• 克服热蒸气中原子运动带来的限制，这些限制通常会破坏离散变量量子处理。
• 开发一种基于原子系综中集体自旋波态的可扩展架构，无需固定原子。
• 证明运动平均可消除‘哪一原子’的信息，从而实现与光场的均匀耦合。
• 在具有自旋保护涂层的微腔中，通过光学腔实验验证该方法。

提出的方法

• 通过设计光-原子相互作用，使原子在相互作用过程中多次穿过光束，实现运动平均。
• 使用光谱滤波消除‘哪一原子’的信息，从而抑制由原子运动引起的退相干。
• 调控相互作用，实现所有原子与光场之间高效且均匀的耦合。
• 在原子系综中以集体自旋波的形式创建并存储被预告的单激发。
• 利用光学腔增强光-物质相互作用，提高效率。
• 在微腔中采用自旋保护涂层以维持相干性，实现室温运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 热原子气中的运动平均是否能实现光与原子系综之间有效且均匀的耦合？
• RQ2 是否可能在室温原子蒸气中实现单光子量子态的高保真度存储与读出？
• RQ3 能否利用热原子中的集体自旋波激发实现可扩展的单光子源？
• RQ4 光谱滤波如何抑制离散变量量子处理中原子运动引起的退相干？
• RQ5 所提出的方案是否可在具有自旋保护涂层的微腔中实现实验验证？

主要发现

• 运动平均机制成功消除了‘哪一原子’的信息，实现了原子系综中有效且均匀的耦合。
• 以高保真度创建并存储了被预告的单激发作为集体自旋波。
• 该系统实现了可扩展方式下的高效且相干的单光子读出。
• 原理验证实验表明，利用具有自旋保护涂层的室温原子微腔可实现可行性。
• 光学腔增强了光-物质相互作用，提高了量子存储器与光源的效率。
• 该方法实现了无需固定原子或低温冷却的可扩展量子存储器与单光子源操作。