Quantum memory with atomic ensembles of rubidium and single photons for long distance quantum communication [Elektronische Ressource] / presented by Thorsten Straßel

Thorsten Straßel

Sujets

• Physik

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 19 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto–Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom-Physiker Thorsten Straßel
born in Pirmasens
Oral examination: 22.10.2008Quantum Memory with Atomic
Ensembles of Rubidium and Single
Photons for Long Distance Quantum
Communication
Referees: Prof. Dr. Jian-Wei Pan
Prof. Dr. Michael FleischhauerZusammenfassung
Quantenspeicher mit atomaren Ensembles aus Rubidium und mit
Einzelphotonen zur Langstrecken-Quantenkommunikation
Die Arbeit, die in dieser Dissertation vorgestellt wird, untersucht theoretisch und
experimentell Quantenspeicher mit atomaren Ensembles, die zur Quantenkommu-
nikation ub¨ er lange Strecken (long-distance quantum communication) geeignet sind.
87Dabei werden laser-gekuhlt¨ e, ultrakalte Atomwolken aus Rubidium als Speicher
fur¨ nichtklassische Einzelphotonenzustande¨ verwendet. Basierend auf der Atom-
Licht Schnittstelle des Protokolls von Duan, Lukin, Cirac, Zoller (DLCZ) zur
Langstrecken-Quantenkommunikation werden die Einzelphotonenzust¨ande abgespe-
ichert und wieder ausgelesen. Mithilfe der nichtklassischen Korrelationen und
des Quantenspeichers wird eine deterministischenenquelle demonstriert.
Der Hong-Ou-Mandel Dip zwischen zwei so generierten einzelnen Photonen wurde
gemessen. Es wird dargelegt, wie unter Benutzung von magnetfeld-insensitiven
atomaren Zust¨ande ein Quantenspeicher mit langer Lebenszeit in einer optischen
Dipolfalle realisiert wurde und mit einer verl¨angerten Spinwellen-Wellenl¨ange die
Dephasierung des Speichers durch thermische Bewegung unterdruc¨ kt werden kon-
nte. Gemessene Speicherzeiten von ub¨ er einer Millisekunde stellen einen erheblichen
Fortschritt zur Umsetzung der Quantenkommunikation ub¨ er lange Strecken dar.
Abstract
Quantum Memory with Atomic Ensembles of Rubidium and Single Pho-
tons for Long Distance Quantum Communication
Theworkpresentedinthisthesisinvestigatestheoreticallyandexperimentallyquan-
tum memories with atomic ensembles, which are suited for long-distance quantum
87communication. Forthispurposelaser-cooled,ultracoldatomiccloudsof Rubidium
are used as memory for nonclassical single-photon states. Base on the atom-light
interface of the protocol from Duan, Lukin, Cirac, Zoller (DLCZ) for long distance
quantum communication the single photons states are stored and retrieved. By the
help of non-classical correlations and the quantum memory a deterministic single
photon source is demonstrated. The Hong-Ou-Mandel dip between two single pho-
tonscreatedinthiswayhasbeenmeasured. Moreoveritisreportedontherealization
of a long-lived quantum memory by using magnetic-field insensitive atomic states in
an optical trap and that by extending the spinwave’s wavelength the dephasing of
the memory due to thermal motion could be suppressed. Measured storage times
of over a millisecond represent a significant progress towards the realization of long
distance quantum communication.ivContents
Abstract iii
1 Introduction 1
2 Elements of Quantum Communication 7
2.1 Qubit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Quantum Communication schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.1 Quantum key distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.2 Teleportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Problems towards long-distance Quantum Communication . . . . . . 11
2.3.1 Photon Loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Decoherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.3.3 Non-Deterministic Sources and Detectors . . . . . . . . . . . . 12
2.4 Space Based Quantum Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Repeater based Protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5.1 Memory in the repeater scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Atom-Light Interface of the DLCZ-type protocols 19
3.1 Atom-Light Interface: Raman Scattering and Atomic Ensembles . . . 20
3.1.1 The Write Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.2 Read Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.3 EIT in the Read-Out . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.1.4 Collective Atomic States and Atomic Mode. . . . . . . . . . . 30
3.1.5 Nonclassical correlation of Single Photons . . . . . . . . . . . 31vi CONTENTS
3.2 DLCZ atom-light interface in a quantum repeater scheme . . . . . . . 31
3.2.1 Entanglement Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.2 Entanglement Connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.3 Purification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.2.4 Quantum Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
3.3 Polariton Picture and Phase Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.4 Performance and Drawbacks of the original DLCZ repeater scheme . 36
3.5 Other Atom-Light Interfaces and Protocols . . . . . . . . . . . . . . . 38
4 Atomic Ensembles as Quantum Memory 41
4.1 Requirements on Quantum Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 Errors in Atomic Memories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Selection of atomic species and its temperature regime . . . . . . . . 44
4.4 Optimal Retrieval . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.5 Decoherence Processes in Quantum Memory . . . . . . . . . . . . . . 46
4.5.1 Collapse and revival of dark-state polaritons . . . . . . . . . . 47
4.5.2 Dephasing of Magnetic Substates . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.5.3 Traps for atomic ensembles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.5.4 Dephasing of Spin Wave Induced by Atomic Random Motion. 60
4.5.5 Differential Light Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.5.6 Cold Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
4.6 Extension of Memory Time: Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
4.6.1 Compensation Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6.2 Blue-detuned Trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.6.3 Optical Lattice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
4.6.4 Cavity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
5 Technology and Procedures 71
5.1 Single MOT Set-Up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Double-MOT Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.3 Dipole Trap Set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78CONTENTS vii
5.3.1 Inhomogeneous AC Stark Broadening . . . . . . . . . . . . . . 82
5.3.2 Vector Light Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.3 Tensor Light Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.3.4 Implemented Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.4 Experimental Procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4.1 Imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.4.2 Loading the Dipole trap . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.4.3 Microwave Spectroscopy: Magnetic Field Measurement and
State Population . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
6 Quantum memory based Single Photon Sources and Application 105
6.1 Deterministic Single Photon Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
6.1.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
6.1.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
6.2 SynchronizedIndependentNarrow-bandSinglePhotons andEfficient
Generation of Photonic Entanglement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
6.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
7 Quantum Memory: Extension of Storage Time 119
7.1 LongLifeTime: Amillisecondquantummemoryforscalablequantum
networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.1.2 Experimental Details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.1.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.2 Quantum Memory with Optically Trapped Atoms . . . . . . . . . . . 129
7.2.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
7.2.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
7.2.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136viii CONTENTS
8 Conclusions and Outlook 137
A List of Publications 139
B Excited State Polarizability 141
87C Rubidium reference 145
D AOM Driver 147
E Phase-Lock Card 151
F Microwave Antenna 157
G Microwave Amplifier 163
H LevelConverter 167
Acknowledgement 169