Теоретически разработана высокоэффективная квантовая память на фотонном эхе для коротких и сверхкоротких импульсов света, основанная на использовании резонансных атомов с большим неоднородным уширением линии в виде периодически расположенных узких пиков, окаймлённых с двух сторон резонансными линиями с заданными оптическими параметрами. Продемонстрирована возможность использования данной памяти для замедления периодической последовательности коротких световых импульсов. 

Лаборатория квантовой оптики и информатики КФТИ КазНЦ РАН.
Руководитель: Моисеев С.А.
Исполнители: Моисеев С.А. (КФТИ КазНЦ РАН); Bonarota M., Le Gouet J.-L., Chanelie`re T. (Лаборатория Айме Коттон Университета Париж-Сад, CNRS, г. Орсей, Франция). 

Создание высокоэффективной широкополосной квантовой памяти является важной физической проблемой в реализации квантовых коммуникаций на сверхдальние расстояния. Значительные успехи на этом пути были достигнуты в одном из протоколов квантовой памяти на фотонном эхе, который использует периодическую структуру узких резонансных линий. В этом протоколе удалось записать информацию о 64 (Usmani I., Afzelius M., de Riedmatten H., Gisin N.: Nat. Commun. 1, 1–7 (2010)) и даже 1000 световых импульсах (Bonarota M., Le Gouet J.-L., Chaneliere T.: New J. Phys. 13, 013013(1-13) (2011)), а затем сохранить и воспроизвести квантовые корреляции двухфотонных широкополосных полей (Clausen C., et. al.: Nature 469, 508-511 (2011); Saglamyurek E., et. al.: Nature 469, 512-515 (2011)). Однако эффективность этого варианта квантовой памяти в существующих экспериментах не превосходит 35%, что недостаточно для практических приложений. Нами в работе [1] выявлен механизм, ограничивающий достижение высокой квантовой эффективности данной памяти, при использовании световых полей, спектр которых сопоставим с шириной резонансной линии атомов. Мы показали, что уменьшение квантовой эффективности обусловлено проявлением сильной спектральной дисперсии, нарушающей строгую временную обратимость всего цикла квантовой памяти, что ограничивает максимальную квантовую эффективность 70%. Определив влияние спектральной дисперсии, мы разработали модифицированную схему неоднородного уширения, добавив к периодической последовательности узких пиков ещё две сильные линии с обеих сторон неоднородного уширения. Как показали расчёты, можно подобрать такие параметры этих линий, при которых практически полностью компенсируется отрицательное влияние частотной дисперсии в процессах записи и считывания светового поля, даже когда его спектральная ширина достигает ширины неоднородного уширения. Выявив доминирующую роль эффектов распространения коротких и сверхкоротких световых полей в спектрально широкой резонансной линии модифицированной квантовой памяти, мы предложили специальную схему взаимодействия со средой периодической последовательности коротких световых импульсов, спектр которых попадёт лишь в спектральные промежутки между ближайшими двумя узкими пиками [2]. В этом случае всё световое поле импульсов испытывает сильную частотную дисперсию аналогично эффекту электромагнитно-индуцированной прозрачности. В результате чего совокупность световых импульсов проходит сквозь среду без какого-либо значительного поглощения и изменения, приобретая при этом большую временную задержку благодаря взаимодействию с оптически плотной средой. Данный эффект был нами подтверждён экспериментально [2], что открывает новые возможности в разработке когерентных методов управления сверхкоротким световыми полями.

Публикации:

1. Moiseev S.A., Le Gouet J.-L.: Rephasing processes and quantum memory for light: reversibility issues and how to fix them. J. Phys. B: Atomic, Molecular & Optical Phys. 45, 124003(1-7) (2012)
2. Bonarota M., Le Gouet J.-L., Moiseev S. A., Chaneli`ere T.: Atomic frequency comb storage as a slow-light effect. J. Phys. B: Atomic, Molecular & Optical Phys. 45, 124002(1-7) (2012)