Lichtspeicherung in atomaren Kohärenzen: Neue Protokolle und Anwendungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die optische Datenverarbeitung ist ein vielversprechendes Konzept zur Realisierung zukünftiger Informationstechnologien, jenseits der Grenzen elektronischer Verfahren. Spezielle Ziele sind, z.B. höhere Speicherkapazitäten oder schnellere Datenverarbeitung. Die moderne Quantenoptik stellt bereits einige wichtige Werkzeuge hierzu bereit, z.B. Konzepte für Quanten-Repeater, Quanten-Bits, Verschränkung, Quanten-Algorithmen, Quantenkryptographie, oder Einzelphotonenquellen. All diese Konzepte benötigen Quantenspeicher für optische Informationen (z.B. Lichtpulse oder einzelne Photonen) als zentrale Komponente. Die Entwicklung, Implementierung, und Untersuchung neuer Ansätze für optische Speicher in Quantensystemen, d.h. zum Transfer optischer Information in und aus dem Speicher, ist daher von zentraler Bedeutung. Die Speichereffizienz und maximale Speicherdauer sind die wesentlichen Eigenschaften, nach denen Speicher und Protokolle bewertet werden müssen. Das DFG-Projekt zielt auf neue Ansätze zur Verbesserung von Lichtspeicher-Protokollen in selten-Erd-dotierten Festkörpern, z.B. zur Verlängerung der Speicherzeit, zur Erhöhung der Speichereffizienz und Speicherkapazität, oder zur Verbesserung der Robustheit und Einsatzmöglichkeiten solcher optischer Speicher. Hierzu werden eine Vielzahl von Strategien eingesetzt, z.B. alternative Speicherprotokolle, Kontroll-Mechanismen, und/oder Medien. Die wesentlichen Ziele des Arbeitsprogramms waren : (i) Entwicklung von “Komposit- Puls-Sequenzen“ zur effizienten Rephasierung/dynamischer Entkopplung, wie auch für komposite Versionen von EIT und STIRAP bei erhöhter Robustheit und/oder Einsatz-Bandbreite. (ii) Verlängerung der Speicherzeiten in atomaren Kohärenzen durch Übertragung kurzlebiger atomarer Kohärenzen in langlebige Besetzungen.(iii) Transfer von Kontroll-Techniken aus der EIT-Lichtspeicherung zum AFC-Protokoll. (iv) Implementierung von EIT, STIRAP, und kompositen Pulsen zur präzisen Adressierung ultra-kleiner Anregungsvolumina in dotierten Kristallen, z.B. zur Erhöhung der Speicherkapazitäten. (iv) Implementierung eines experimentellen Aufbaus und fundamentaler Techniken für EIT-Lichtspeicherung in Eu:YSO. Folgende Ergebnisse konnten im Laufe des Projekts erzielt werden : (1) In enger Kooperation mit Theorie-Partnern wurden neue composite Puls-Sequenzen entwickelt und experimentell zur Rephasierung atomarer Kohärenzen in Pr:YSO demonstriert. Insbesondere konnten „universelle“ komposite Pulse, geformte Einzelschuss-Pulse, sowie komposite adiabatische Passage implementiert werden. Die universellen kompositen Pulse können Fehler in mehreren experimentellen Parametern simultan kompensieren. Als wichtige Eigenschaft für Anwendungen in der Quanteninformation funktionieren die kompositen Pulse bei hoher Effizienz unabhängig von der Phase der Kohärenz. Angewandt zur dynamischen Entkopplung zeigten sich die kompositen Pulse als leistungsfähiger als alle bisher bekannten, koventionellen Pulssequenzen. Die Konzepte sind von Relevanz für das gesamte Gebiet der Quanteninformation, auch jenseits von Lichtspeicherung und dotierten Festkörpern. (2) Ein neues Protokoll zum „Kohärenz-Besetzungs-Transfer“ konnte entwickelt und experimentell demonstriert werden. Dabei wird eine atomare Kohärenz (d.h. deren Amplitude und Phase) zwischenzeitlich in langlebige Besetzungen transferiert – und wieder zurück. Das Protokoll arbeitet bei konstant hoher Effizienz für beliebige Amplitude und Phase der atomaren Kohärenz. Der Kohärenz-Besetzungs-Transfer ermöglichte die Verlängerung von Spin-Speicherzeiten in Pr:YSO in den Bereich von einer Minute - ohne dass komplexe Kontrollaufbauten, wie sie für frühere Speicher- Experimente eingesetzt wurden, nötig wären. (3) Ein Multi-Pass-Aufbau zur Erhöhung der optischen Dichte für die EIT-Lichtspeicherung in Pr:YSO wurde implementiert. Der technisch einfache Ansatz erlaubte optische Dichten bis zu OD ≈ 96 und eine EIT-Lichtspeichereffizienz von 76 % in einem Festkörper-Medium. Dies stellt einen wichtigen Schritt hin zu einem EIT-Quantenspeicher für einzelne Photonen dar.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Experimental demonstration of composite adiabatic passage” Phys. Rev. A 88, 063406 (2013)
D. Schraft, G. T. Genov, N.V. Vitanov, and T. Halfmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.88.063406) - “Correction of arbitrary field errors in population inversion of quantum systems by universal composite pulses” Phys. Rev. Lett. 113, 043001 (2014)
G.T. Genov, D. Schraft, T. Halfmann, and N.V. Vitanov
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.043001) - “Phase-insensitive storage of coherences by reversible mapping onto long-lived populations” Phys. Rev. A 93, 012312 (2016)
S. Mieth, G.T. Genov, L.P. Yatsenko, N.V. Vitanov, and T. Halfmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevA.93.012312) - “Stopped Light at High Storage Efficiency in a Pr∶YSO Crystal” Phys. Rev. Lett. 116, 073602 (2016)
D. Schraft, M. Hain, N. Lorenz, and T. Halfmann
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.116.073602)
