Multi-cell quantum memory

Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit, optische Pulse in Cs-Dampfzellen bei Raumtemperatur zu speichern. Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Realisierung von mehreren räumlich getrennten Speicherbereichen innerhalb derselben Dampfzelle. Dies ist Motiviert durch die kritische Rolle, die optische Quantenspeicher innerhalb von Quanteninformationsnetzen und quantenbasierten Rechenwerken spielen werden. Analog zu klassischen Informationsspeichern in den Komponenten des Internet und Computern ist eine weit verbreitete Anwendung von Speicherelementen in der quantenbasierten Informationstechnologie sehr wahrscheinlich. Die Möglichkeit, Datenpakete zwischenzulagern oder deren zeitliche Abfolge zu verändern, ist ein entscheidender Vorteil des Internets gegenüber leitungsvermittelten Netzwerken. Dies erlaubt es, Endpunkte unterschiedlichster Form über eine inhomogene und abstrahierbare Infrastruktur zu verbinden. In Computern sorgen mehrere Schichten von Cache-Speicher dafür, dass die CPU latenzarm auf Daten und Instruktionen zurückgreifen kann. Weiterhin parallelisieren diese Speicher den Input und ermöglichen asynchrones Arbeiten bei unterschiedlichen Clock-Frequenzen für unterschiedliche Bereiche des Systems. Im Gegensatz zu dem klar definierten Einsatzbereich von klassischen Speicherelementen werden bei Quantenspeichern viele unterschiedliche Ansätze verfolgt. Diese unterscheiden sich in den verwendeten atomaren Systemen, in der Art der Licht-Materie-Wechselwirkung und in den erwarteten Operationen die an den gespeicherten Zuständen durchgeführt werden können [Hes16]. So eignen sich z.B. einzelne Atome gut, um durch direkte Wechselwirkungen Quanten-Logik-Operationen mit zwei Systemen durchzuführen. Systeme aus atomaren Ensemblen zeichnen sich durch ihre kontrollierbare kohärente Licht-Materie-Wechselwirkung aus und durch weniger experimentelle Komplexität. Vor allem bei zukünftigen Anwendungen, die hohe Integration und Fehlertoleranz erfordern, ist dies ein Vorteil. Die Darstellung in dieser Arbeit ist in drei Bereiche geteilt. Kapitel 2 gibt einen Überblick über die theoretischen Grundlagen der Licht-Materie-Wechselwirkungen in Cs-Dampfzellen und die optische Adressierung mit akusto-optischen Kristallen. Kapitel 3 und 4 beschreiben den Aufbau und die durchgeführten Experimente. Das zentrale Ergebnis ist hierbei das erfolgreiche Speichern von mehreren optischen Pulsen in zufällig adressierten atomaren Ensemblen in einer Cs-Dampfzelle bei Raumtemperatur. Maximal konnten drei Pulse gespeichert und wieder ausgelesen werden. Die längste Speicherzeit betrug dabei 2 µs innerhalb einer Sequenz von 4,2 µs Gesamtlänge. Diese Sequenz bestand aus 12 zufällig ausgewählten Operationen (Schreiben/Lesen), die sequenziell auf den Quantenspeicher angewendet wurden. Durch vorherige Charakterisierung des Aufbaus wurde sichergestellt, dass sich benachbarte Operationen nicht beeinflussen. Diese Ergebnisse helfen dabei, zukünftige Schwerpunkte der Optimierung zu definieren. Weiterhin zeigen sie, dass der verwendete Aufbau ein vielversprechender Ausgangspunkt für die Realisierung von mehrzelligen Quantenspeichern für Einzelphotonen ist und ein Element in zukünftigen Quanteninformationsnetzen bilden kann.