Catch and Release of Photon

Viewpoint: Catch and Release of Photons

Antoine Browaeys, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique, CNRS, Université Paris Sud, 91127 Palaiseau, France

Published March 4, 2013 | Physics 6, 25 (2013) | DOI: 10.1103/Physics.6.25
Two separate groups demonstrate the temporary storage and subsequent release of photons using very different quantum devices.
Catch and Release of Microwave Photon States

Yi Yin, Yu Chen, Daniel Sank, P. J. J. O’Malley, T. C. White, R. Barends, J. Kelly, Erik Lucero, Matteo Mariantoni, A. Megrant, C. Neill, A. Vainsencher, J. Wenner, Alexander N. Korotkov, A. N. Cleland, and John M. Martinis
Phys. Rev. Lett. 110, 107001 (2013)
Published March 4, 2013 | PDF (free)

Storage and Control of Optical Photons Using Rydberg Polaritons

D. Maxwell, D. J. Szwer, D. Paredes-Barato, H. Busche, J. D. Pritchard, A. Gauguet, K. J. Weatherill, M. P. A. Jones, and C. S. Adams
Phys. Rev. Lett. 110, 103001 (2013)
Published March 4, 2013 | PDF (free)


+Enlarge imagehttp://physics.aps.org/assets/ab0d3820f11f6ed4

APS/Antoine Browaeys

Figure 1 In their experiment, Yin et al. tune the energy levels g and e in a superconducting circuit so that the transition frequency ν is resonant with the microwave cavity resonator. The resonator is connected to a transmission line with an adjustable coupling constant κ, which controls the release of microwave photons.

+Enlarge imagehttp://physics.aps.org/assets/d7ebdae2d70e3d92

APS/Antoine Browaeys

Figure 2 In the experiment of Maxwell et al., the interface consists of an atomic cloud of rubidium atoms, whose states have a ladder configuration (shown on the right). The combination of a weak signal laser and control laser excites one atom (shown in red) into a Rydberg state r, while the other atoms remain in the ground state due to Rydberg blockade (see ****). The researchers can couple this collective polariton state to another Rydberg state r′ using microwaves (MW).



Information and communication technologies continue to revolutionize our modern societies. Further transformation may come from quantum technologies, which are still in their infancy but offer the possibility to process information more efficiently or to communicate more securely than any conceivable classical technology could. People are already dreaming of a quantum internet [1] that would connect the places where quantum bits of information are stored with the centers where qubits are processed. In between these sites, the information would be carried by photons, which are often called “flying qubits.” We are not there yet, but many groups around the world are exploring various ways to interface photons with devices able to store or process quantum information.
Two new papers in Physical Review Letters present original and complementary developments in the pursuit of a practical matter-photon quantum interface [2, 3]. At first sight the two systems look very different. However, a closer look reveals many similarities that will be detailed below. But before doing that, let us sketch out the criteria that a quantum interface should fulfill [4]. First, you want a medium that can absorb photons as efficiently as possible, so that information is not lost. Second, you want these photons to be stored in the medium for durations as long as possible. And third, you want to be able to release the photons on demand. These criteria are enough for an electronic memory device that might be part of an optical fiber network, but in order to make a quantum interface, you are going to need to store the quantum information of the photons in the degrees of freedom of the medium. The fragile nature of this quantum information complicates the entire enterprise.
Many strategies exist for trying to capture the quantum information of a photon. Examples of possible interfaces include ions in rare-earth crystals, laser-cooled atoms or ions, and hot vapors [4]. The two works described here present original systems that are only starting to be studied but are full of promise.
In the first case, Yi Yin from the University of California, Santa Barbara, and colleagues use an artificial atom trapped in a cavity to catch and release microwave photons [see Fig. 1]. The artificial atom is a superconducting circuit based on Josephson junctions and characterized by two energy levels separated by a transition of around 7gigahertz. This two-level system serves as a qubit that couples to microwaves [5]. The researchers can tune the qubit transition frequency by varying a magnetic flux through the circuit so that the circuit is resonant with the cavity, which is a centimeter-long microwave resonator. The cavity is itself coupled to a transmission line, which can send “flying qubits” (microwave photons) to other devices.
The breakthrough that this paper achieves is to provide a controllable coupling κ between the cavity and the transmission line—this is equivalent to having a switch on the output mirror of the cavity that turns its reflectance on and off. In a typical experimental run, Yin et al. excite the qubit, which is resonant with the cavity. This results in one photon being deposited in the cavity mode. At the start, the “output mirror” is reflective (κ=0), so the photon is stored in the cavity until the mirror is turned off, at which point the photon is released into the transmission line. The device can also receive photons. The researchers show that they can send a wave packet of about ten photons through the transmission line and into the cavity where it is stored. They can also send a quantum superposition of “one photon” and “no photon,” and the cavity will store this nonclassical state as a superposition of the two levels in the superconducting circuit.
Daniel Maxwell and his colleagues from Durham University in the UK operate a very different system. In their case, the photons are in the optical domain (with wavelength of 780 nanometers), and they can propagate in free space or be guided in an optical fiber over long distances. The system they use to store light is a small cloud containing about 100 cold atoms [see Fig. 2]. To demonstrate the interface, they use three atomic states in a ladder configuration coupled by an infrared laser (called the signal laser) and a blue laser (the control laser). The upper state is a Rydberg state—a state with a very large dipole moment and a very long lifetime compared to other atomic excitations. The large dipole moment has a strong effect on nearby atoms. If one atom in the cloud is excited into the Rydberg state, it shifts the resonance frequencies of all the surrounding atoms so that they are no longer in resonance with the control laser. This process, called Rydberg blockade, has potential application in quantum processing tasks [6]. Here, it serves as a storage mechanism.
Maxwell et al. begin by shining the control beam on the atom cloud. They then turn on a very weak signal pulse (ultimately it can contain only one photon) that excites only one out of all the atoms because of the Rydberg blockade. The cloud is dense enough that the signal pulse is efficiently absorbed (stored) when propagating through the cloud. The tricky point here is that we don’t know which atom is excited, so the cloud is in a collective quantum state, called a polariton [7], which is a superposition of all states with just one excited atom and the rest of the atoms in the ground state. At the end of the storage time, the team releases a photon by turning on the control beam alone: this triggers the deexcitation of the one Rydberg atom to the intermediate state, from which it emits a single photon at the same frequency as the signal beam. Importantly, the released photon has the same direction as the control laser because of constructive interference. In this system, the long-lived Rydberg state acts like a cavity to store the light. Likewise, the control beam, which effectively “opens the cavity” to release a photon, is equivalent to the mirror with controllable transmission in the case of Yin et al.
For both devices the storage time of the photons is limited to only a few microseconds due to losses, but both research groups have identified the loss mechanisms and thus should be able to increase the storing duration in the future. But, quite importantly, they have also demonstrated some quantum manipulations over the systems that make them good candidates for a practicalquantum interface. For example, Yin et al. showed that they can catch and release a wave pulse without disturbing its phase. They have also demonstrated that this phase is preserved even if the quantum state of the photons is nonclassical. For their part, Maxwell et al. showed quantum control over the polariton by using microwave light to couple the Rydberg state to another Rydberg state. This control is impressive, as it implies the coupling of the whole fragile superposition of the atoms in the cloud to a new polariton with a different Rydberg state, which is not coupled to the controlled laser. With their demonstrated level of control, both groups have the ability to shape the emitted photon wave packet, and also to prepare an arbitrary nonclassical state of the light.
The progress displayed here is significant, but the performance of these interfaces still needs to be improved. For example, the ability to capture light is only around 10%, which is a bit low for practical implementation. Currently, both methods can capture a pulse of incoming light, but more work will be needed to catch a single photon, which is the desired sensitivity for a quantum processor or quantum memory. The interesting parallels between these two different quantum interfaces suggest that we are converging on an eventual solution.
References

H. J. Kimble, “The Quantum Internet,” Nature 453, 1023 (2008).
Y. Yin et al., “Catch and Release of Microwave Photon States,” Phys. Rev. Lett. 110, 107001 (2013).
D. Maxwell, D. J. Szwer, D. Paredes-Barato, H. Busche, J. D. Pritchard, A. Gauguet, K. J. Weatherill, M. P. A. Jones, and C. S. Adams, “Storage and Control of Optical Photons Using Rydberg Polaritons,” Phys. Rev. Lett. 110, 103001 (2013).
C. Simon et al., “Quantum Memories. A Review Based on the European Integrated Project Qubit Applications (QAP),”Eur. J. Phys. D 58, 1 (2010).
B. Goss Levi, “Superconducting Qubit Systems Come of Age,” Phys. Today 62, No. 7, 14 (2009).
M. Saffman, T. G Walker, and K. Moelmer, “Quantum Information with Rydberg Atoms,” Rev. Mod. Phys. 82, 2313 (2010).
M. Fleischauer, A. Imamoglu, and J. P. Marangos, “Electromagnetic Induced Transparency: Optics in Coherent Media,”Rev. Mod. Phys. 77, 2003 (2005).
About the Author: Antoine Browaeys

http://physics.aps.org/assets/94a8ab0bcdf874bfAntoine Browaeys studied at the University of Paris Sud, Orsay, France, and did his Ph.D. at the Institut d’Optique (2000). He spent two years at NIST in the Laser Cooling group and was hired as a scientist at CNRS in 2003. He is now working on experiments manipulating individual ultracold atoms and small and dense cold atomic clou

ساترجم المقال لاحقا لنناقشه مع بعض كما سارفع من نفس الموقع مناقشات الفيزيائيين الغرب لهذا المقال مترجما لها ان شاء الله تعالى

ترجمة قووقل نصححها من بعد


صيد وإطلاق فوتون

وجهة نظر: الصيد واطلاق الفوتونات

انطوان Browaeys ، مختبر فابري تشارلز، معهد OPTIQUE ديفوار، CNRS، جامعة باريس سود، PALAISEAU 91127، فرنسا

النشر 4 مارس 2013 | الفيزياء 6 ، 25 (2013) | DOI: 10.1103/Physics.6.25 مجموعتين منفصلتين إثبات التخزين المؤقت والإفراج لاحقا باستخدام الفوتونات أجهزة مختلفة جدا الكم. الصيد وإطلاق فوتون الميكروويف الدول يين يى تشن يو، دانيال غرقت، أومالي PJJ، أبيض TC، Barends R.، J. كيلي، إريك وسيرو، Mariantoni ماتيو، Megrant A.، نيل C.، Vainsencher A.، [ونر] J.، الكسندر N. كوروتكوف، AN كليلاند، وجون M. المارتيني فيز. القس بادئة رسالة. 110 ، 107001 (2013) النشر 4 مارس 2013 | PDF (مجاني) التخزين ومراقبة من الفوتونات الضوئية باستخدام رايدبيرغ Polaritons D. ماكسويل، DJ Szwer، D. باريديس-Barato، Busche H.، JD بريتشارد، Gauguet A.، Weatherill KJ، MPA جونز، وCS آدمز فيز. القس بادئة رسالة. 110 ، 103001 (2013) النشر 4 مارس 2013 | PDF (مجاني) + تكبير الصورة














http://physics.aps.org/assets/ab0d3820f11f6ed4APS / انطوان Browaeys
الشكل 1 في تجربتهم، يين وآخرون. ضبط مستويات الطاقة ز و ه في دائرة فائقة التوصيل ذلك أن الانتقال التردد ν هو الملاذ الاخير مع تجويف مرنان الموجات الدقيقة. توصيل مرنان إلى خط نقل مع توصيل قابل للتعديل المستمر κ ، التي تسيطر على الإفراج عن الفوتونات الميكروويف. + تكبير الصورة

http://physics.aps.org/assets/d7ebdae2d70e3d92APS / انطوان Browaeys
الشكل 2 في تجربة ماكسويل وآخرون. ، واجهة يتكون من سحابة من ذرات الروبيديوم الذرية، التي تنص على تكوين سلم (كما هو موضح على اليمين). الجمع بين الليزر والليزر إشارة ضعيفة السيطرة يثير ذرة واحدة (كما هو موضح باللون الأحمر) ثابت رايدبيرغ R ، في حين أن ذرات أخرى لا تزال في الحالة الأرضية بسبب الحصار رايدبيرغ (انظر ****). يمكن للباحثين زوجين هذه الدولة polariton الجماعية إلى دولة أخرى رايدبيرغ ص ’ الميكروويف باستخدام (MW). تكنولوجيا المعلومات والاتصالات لا تزال ثورة مجتمعاتنا الحديثة. قد تحول تقنيات أخرى تأتي من الكم، التي لا تزال في مراحلها الأولى ولكنها توفر إمكانية لمعالجة المعلومات بصورة أكثر كفاءة أو أكثر على التواصل بشكل آمن من أي تكنولوجيا يمكن تصورها الكلاسيكية يمكن. الناس يحلمون بالفعل من الإنترنت الكم [ 1 ] الذي يربط الأماكن التي يتم تخزين بت الكم من المعلومات مع المراكز حيث تتم معالجة المكدسة. في ما بين هذه المواقع، سوف يتم تنفيذ المعلومات من خلال الفوتونات، والتي غالبا ما تسمى "المكدسة الطيران." نحن لسنا هناك حتى الآن، ولكن العديد من الجماعات في جميع أنحاء العالم واستكشاف مختلف السبل الكفيلة الفوتونات التفاعل مع الأجهزة قادرة على تخزين أو معالجة الكم من المعلومات . ورقتين جديدة في استعراض للحروف البدنية عرض التطورات الأصلية والتكميلية في السعي لتحقيق واجهة العملية الكم المسألة الفوتون [ 2 ، 3 ]. لأول وهلة النظامين تبدو مختلفة جدا. ومع ذلك فإن النظرة المتأنية تكشف العديد من أوجه الشبه التي من شأنها أن تكون مفصلة أدناه. ولكن قبل القيام بذلك، دعونا يرسم المعايير التي واجهة الكم يجب الوفاء [ 4 ]. أولا، تريد المتوسطة التي يمكن أن تمتص الفوتونات بأكبر قدر من الكفاءة، بحيث لا يتم فقدان تلك المعلومات. الثانية، وتريد أن تكون مخزنة في هذه الفوتونات المتوسطة لفترات أطول فترة ممكنة. والثالث، وتريد أن تكون قادرة على اطلاق سراح الفوتونات على الطلب. هذه المعايير هي ما يكفي لجهاز الذاكرة الإلكترونية التي قد تكون جزءا من شبكة الألياف البصرية، ولكن من أجل جعل الكم واجهة، كنت بحاجة الى الذهاب الى تخزين المعلومات الكم من الفوتونات في درجات الحرية من المتوسط. طبيعة الهشة لهذا الكم من المعلومات يعقد المؤسسة بأكملها. وتوجد العديد من الاستراتيجيات لمحاولته التقاط المعلومات من الكم فوتون. أمثلة من واجهات ممكن تشمل أيونات الأرضية النادرة في البلورات، والليزر وتبريد الذرات أو الأيونات، والأبخرة الساخنة [ 4 ]. وصف العملين هنا نظم الأصلي الحالية التي بدأت فقط لدراستها ولكن مليئة بالأمل. في الحالة الأولى، يي يين من جامعة كاليفورنيا في سانتا باربرا، والزملاء استخدام ذرة الاصطناعي المحاصرين في تجويف للقبض على و الفوتونات الميكروويف الإفراج [ انظر الشكل. 1]. الذرة الاصطناعية هي الدوائر فائقة التوصيل يعتمد على تقاطعات جوزيفسون وتتميز البلدين مستويات الطاقة مفصولة الانتقال نحو 7 غيغا هرتز. هذا النظام على مستويين بمثابة و qubit أن الأزواج إلى أفران ميكروويف [ 5 ]. يمكن للباحثين ضبط وتيرة الانتقال من خلال تغيير و qubit على التدفق المغناطيسي خلال الدائرة بحيث الدائرة هي الملاذ الاخير مع تجويف، وهو الميكروويف لمدة سنتيمتر مرنان. تجويف هو في حد ذاته بالإضافة إلى خط نقل، والتي يمكن إرسال "المكدسة الطائرة" (الفوتونات الميكروويف) إلى أجهزة أخرى. هذا الإنجاز الكبير الذي تحقق هذه الورقة هو تقديم اقتران السيطرة عليها κ بين تجويف ونقل هذا الخط ما يعادل وجود التبديل على المرآة خرج من تجويف الذي يحول الانعكاس على وخارجها. في المدى تجريبي نموذجي، يين وآخرون تثير لل qubit، وهو الملاذ الاخير مع تجويف. يتم إيداع هذه النتائج في واحدة الفوتون في وضع تجويف. في البداية، "مرآة الإنتاج" يعكس ( κ = 0 )، لذلك يتم تخزين الفوتون في تجويف حتى يتم تشغيل قبالة المرآة، وعند هذه النقطة يتم تحرير فوتون في خط الإرسال. يمكن للجهاز أيضا الحصول على الفوتونات. ويوضح الباحثون أن يتمكنوا من إرسال حزمة موجة من حوالي عشرة الفوتونات من خلال خط نقل وإلى تجويف حيث يتم تخزينها. فإنها يمكن أن ترسل أيضا تراكب الكم من "فوتون واحد" و "الفوتون لا"، وتجويف سيتم تخزين هذه الدولة الكلاسيكي بوصفها تراكب من مستويين في الدائرة فائقة التوصيل. دانيال ماكسويل وزملائه من جامعة دورهام في المملكة المتحدة تعمل نظام مختلف للغاية. في قضيتهم، والفوتونات في المجال البصري (مع الطول الموجي من 780 نانومتر)، وأنها يمكن أن تنتشر في مساحة حرة أو الاسترشاد في الألياف البصرية لمسافات طويلة. النظام الذي يستخدم لتخزين ضوء سحابة صغيرة تحتوي على حوالي 100 الذرات الباردة [ انظر الشكل. 2]. للتدليل على واجهة، فإنها تستخدم ثلاث ولايات الذرية في تكوين سلم من جانب ليزر الأشعة تحت الحمراء (الليزر يسمى إشارة) والليزر الأزرق (ليزر التحكم). الدولة العليا هي دولة لدولة مع رايدبيرغ حظة ثنائي القطب كبير جدا و العمر الطويل جدا بالمقارنة مع غيرها من الإثارات الذرية. لحظة ثنائي القطب كبير له تأثير قوي على ذرات مجاورة. إذا هو متحمس ذرة واحدة في سحابة على الدولة رايدبيرغ، فإنه ينقل ترددات الرنين من ذرات جميع المناطق المحيطة بحيث أنها لم تعد في الرنين مع الليزر السيطرة. هذه العملية، تسمى رايدبيرغ الحصار، وإمكانية تطبيقها في معالجة المهام الكم [ 6 ]. هنا، وهو بمثابة آلية التخزين. ماكسويل وآخرون. تبدأ بتسليط شعاع السيطرة على السحابة الذرية. أن تتحول بعد ذلك على إشارة ضعيفة جدا النبض (النهاية يمكن أن تحتوي على واحد فقط الفوتون) التي تثير واحد فقط من كل ذرات بسبب الحصار رايدبيرغ. سحابة كثيفة بما فيه الكفاية أن يمتص بكفاءة نبض إشارة (المخزنة) عندما نشر من خلال السحب. نقطة صعبة هنا هو أننا لا نعرف أي ذرة هو متحمس، وبالتالي فإن سحابة في حالة الكم الجماعية، ودعا polariton [ 7 ]، وهو تراكب جميع الدول واحدة فقط مع ذرة متحمس وبقية الذرات في الحالة الأرضية. في نهاية فترة التخزين، وفريق يطلق فوتون تحول على شعاع تحكم وحدها: هذا بتشغيل deexcitation للذرة رايدبيرغ واحدة إلى دولة وسيطة، من الذي تنبعث منه فوتون واحد على التردد نفس إشارة شعاع . الأهم من ذلك أن الفوتون صدر له نفس اتجاه الليزر السيطرة بسبب تدخل بناءة. في هذا النظام، والدولة رايدبيرغ طويلة الأجل يتصرف مثل تجويف لتخزين الضوء. وبالمثل، فإن شعاع التحكم، التي بفعالية "يفتح تجويف" للافراج عن فوتون، ما يعادل المرآة مع انتقال السيطرة عليها في حالة يين وآخرون لكلا الجهازين الوقت محدود تخزين الفوتونات إلى ميكروثانية قليلة فقط بسبب الخسائر، ولكن حددت كل من المجموعات البحثية في آليات خسارة وبالتالي يجب أن تكون قادرة على زيادة مدة تخزين في المستقبل. ولكن، الأهم جدا، وقد أثبتت أنها أيضا بعض التلاعب الكم على الأنظمة التي جعلها المرشحين جيدة لعملية الكم واجهة. على سبيل المثال، يين وآخرون أظهرت أنها يمكن التقاط والافراج عن نبض موجة من دون إزعاج مرحلته. وقد أثبتت أنها أيضا أن يتم الاحتفاظ هذه المرحلة حتى لو كانت الدولة الكم من الفوتونات هو الكلاسيكي. من جانبها، ماكسويل وآخرون. أظهرت الكم السيطرة على polariton باستخدام ضوء الميكروويف لبضع الدولة إلى دولة أخرى رايدبيرغ رايدبيرغ. هذا أمر مثير للإعجاب السيطرة، لأنه ينطوي على اقتران تراكب الهشة كاملة من الذرات في سحابة إلى polariton جديدة مع دولة رايدبيرغ المختلفة، والتي لا يقترن إلى الليزر للرقابة. مع مستواها أظهرت السيطرة، كلا الفريقين لديهم القدرة على تشكيل موجة الفوتون المنبعث الحزمة، وكذلك لإعداد التعسفية للدولة الكلاسيكي للضوء. التقدم المعروضة هنا هي كبيرة، ولكن أداء هذه الواجهات لا تزال بحاجة إلى تحسين . على سبيل المثال، القدرة على التقاط الضوء هو فقط حوالي 10 ٪ ، وهو منخفض قليلا عن التنفيذ العملي. حاليا، يمكن أن كلتا الطريقتين التقاط نبض الضوء واردة، ولكن ستكون هناك حاجة إلى مزيد من العمل للقبض على فوتون واحد، والذي هو حساسية المطلوب للمعالج أو الذاكرة الكم الكم. أوجه التشابه بين هذه مثيرة للاهتمام اجهات اثنين الكم مختلفة تشير إلى أن تتقارب ونحن على الحل النهائي. المراجع H. J. كيمبل، "الانترنت الكم"، الطبيعة 453 ، 1023 (2008) . Y. يينوآخرون ، "القبض وإطلاق الولايات فوتون الميكروويف،" فيز. القس بادئة رسالة. 110 ، 107001 (2013) . D. ماكسويل، DJ Szwer، D. باريديس Barato، Busche H.، JD بريتشارد، Gauguet A.، Weatherill KJ، MPA جونز، وآدمز CS "التخزين ومراقبة من الفوتونات الضوئية باستخدام Polaritons رايدبيرغ،" فيز. القس بادئة رسالة. 110 ، 103001 (2013) . C. سيمون وآخرون ، "ذكريات الكم. استعراض واستنادا إلى تطبيقات الأوروبية المتكاملة و qubit مشروع (QAP)، " يورو. J. ف. D 58 ، 1 (2010) . B.حكومة جنوب السودان ليفي، "الموصلية أنظمة و qubit سن الرشد،" فيز. اليوم 62 ، رقم 7، 14 (2009) . M. Saffman، T. G وكر، وK. Moelmer، "الكم معلومات مع ذرات رايدبيرغ،" القس وزارة الدفاع. ف. 82 ، 2313 (2010) . M. Fleischauer، Imamoglu A.، وMarangos JP، "الشفافية الكهرومغناطيسية المستحثة: بصريات في وسائل الإعلام متماسكة،" القس وزارة الدفاع. ف. 77 ، 2003 (2005) . نبذة عن الكاتب: أنطوان Browaeys Browaeys انطوان درس في جامعة باريس سود، أورساي، فرنسا، وفعل الدكتوراه في OPTIQUE كوت معهد (2000). أمضى عامين في NIST في مجموعة الليزر والتبريد وظفت كعالم في CNRS في عام 2003. وهو يعمل الآن على التجارب التلاعب الذرات الشديدة البرودة الفردية والصغيرة والكثيفة كلو الذرية الباردة

السلام عليكم ............ شكرا لجهودك المبذولة تقبل تحياتي

شكرا............................... ................................... مع التحيات