Spektral-Loch-Speicher für Licht auf der Einzelphotonen-Ebene

Die „Quantum Photonics with Solids and Atoms“-Gruppe am ICFO (Insti­tute of Photonic Sciences, Barce­lona) hat sich dem Studium der Interaktion von Licht und Ma­terie auf der Ebene von einzelnen Pho­tonen, also Lichteilchen gewidmet. Ei­nes der un­ter­such­ten Systeme ist ein kryo­gen ge­kühl­ter, mit seltenen Er­den dotierter Kristall. Dieser hat die einzigar­tige Eigenschaft, dass eine große Anzahl von Ionen, mit exzellenten optischen und extrem kohärenten Spins, in einer geordneten transpa­ren­ten Matrix eingeschlossen sind. In diesem Kristall untersuchen die For­scher verschiedene Protokolle zum Ge­nerieren, Speichern und Erhalten der Quantenzustände von Photonen. Im Rahmen einer internationalen Kooperation mit Wissenschaftlern vom „Laborariore Aimé Cotton“ in Paris und „Laboratorio de Fotónica y Optoelectrónica“ in Bariloche demonstrierte die Gruppe vor kurzem, einen neuen Entwurf zum Speichern, basie­rend auf der Präparation eines schmalen spektralen Loches in einem Pr3+:Y2SiO5-Kristall. Ein Lichtpuls wird durch das spektrale Loch verlangsamt. Anschließend wird ein kurzer aber starker Raman-Puls verwendet, um die optische Anregung in einen leeren Spin-Zustand zu transferieren, was das Licht wirksam speichert. Nach einer kontrollierbaren War­tedauer wird ein zweiter Raman-Puls ausgesandt, um den gespeicherten Zustand des Photons abzurufen.

Um gute kohärente Eigenschaften der optisch aktiven Ionen zu erhalten, muss die Probe auf Temperaturen unterhalb von 4 K gekühlt werden. Die Möglichkeit,  die Probe von verschiedenen Richtungen zu sehen, ist wichtig für die erste Ausrichtung des optischen Experiments, da der Laser­strahl, der den Speicher via optischem Pumpen vorbereitet und der den Raman-Transfer zum Spin-Speicher-Zustand steuert, räumlich von dem optischen Pumpen getrennt sein muss. Nur so lässt sich das Rauschen im Detektions- und Auslesepuls wirksam unterdrücken. Die beiden Strahlen überlappen nur in der Ein­gangs­fa­cette des Speicherkristalls. Um das Rauschen der Raman-Pulse weiter zu reduzieren, wurde ein spektraler Filter, bestehend aus einem zweiten Pr³+:Y₂SiO₅-Kristall, im gleichen Probenraum der Cryostation platziert. Wenn an dem Einzelphotonenniveau gearbeitet wird, kann eine Messung über lange Zeit gehen. Außerdem ist es wichtig, dass der Eingangspuls den Speicherkristall in einer Region trifft, in der dieser homogen via optischem Pumpen vorbereitet wurde. Die mechanische Stabilität der Cryostation ist also äußerst wichtig, um bei jedem Puls einen optimierten und stabilen Strahlüberlapp zu erhalten. Um sicher zu stellen, dass der Versuch nicht durch mechanische Vibrationen gestört wird, wurde das Experiment mit dem Kühlzyklus der Cryostation synchronisiert.

Die Arbeitsgruppe hat demonstriert, dass ein neues Protokoll zum Spei­chern von Licht basierend auf gestopptem Licht in einem spektralen Loch in einem Pr³+:Y₂SiO₅-Kristall eine Speicher- und Abruf-Effizienz von bis zu 39% hat. Dank eines geringen Rauschpegels konnten die gespeicherten und abgerufenen Einzel­photonenniveau-Pulse mit hohem Signal-zu-Rausch-Verhältnis detektiert werden. Diese Arbeit demonstriert einen optischen Speicher mit bislang unerreichter Effizienz.

Diese Ergebnisse sind vielversprechend und könnten zu der Realisierung von robusten, hocheffizienten und langlebigen optischen Speichern führen. In diesem Experiment wurden Einzel-Moden und schwach kohärente Pulse gespeichert und abgefragt. Falls diese auf die Speicherung von echten Einzelphotonen erweitert würde, könnte das Protokoll verwendet werden, um eine Verknüpfung zwischen den voneinander entfernten Kristallen zu demonstrieren.

Alle in diesem Artikel enthaltenen In­for­mationen sind der folgenden Ver­öf­fentlichung entnommen: Spectral-hole memory for light at the single-photon level 

http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevA.93.040302

Die Abbildungen wurden großzügigerweise von Kutlu Kutluer, Prof. Hugues de Riedmatten und Dr. Margherita Mazzera vom https://www.icfo.eu bereitgestellt.

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