Retrieval of cavity embedded absorption spectrum for quantum memory applications

Abstract (Swedish)

Inom fältet kvantinformation behandlar man information med hjälp av så kallade kvantmekaniska system, vilket tillför både möjligheter och svårigheter i reella tillämpningar. Ett fundamentalt begrepp är den så kallade kvantbiten, eller qubit som den brukar omnämnas i engelsk litteratur, vilken är den grundläggande komponenten i vilken kvantinformation hanteras, som en direkt analog till biten i en klassisk dator. En klassisk bit har möjligheten att anta värdet ett eller noll, medan en kvantbit dessutom har möjligheten att anta båda dessa värden på en och samma gång i en godtycklig proportion, vilket framstår som obegripligt i förhållande till den klassiska värld som vi upplever.

Denna egenskap erbjuder möjligheten att behandla information på ett fundamentallt annorlunda sätt än vad vi är vana vid. Exempel på tillämpningar är kvantdatorer och kvantkryptografi. Kvantdatorer kan utnyttjas för att lösa problem som för klassiska datorer är helt olösbara inom rimlig tid (t.ex. faktorisering av stora tal). Med kvantkryptografins hjälp kan vi dessutom skapa kommunikationskanaler som erbjuder i det närmaste fullständig säkerhet mot intrång vad gäller avlyssning.

Denna rapporten har behandlat så kallade optiska kvantminnen, vilka har till syfte att lagra kvantinformation i form av fotoner, dvs. ljuspartiklar. Utförandet består av att en inkommande foton som innehåller en viss kvantbit, absorberas i ett medium och överför kvantinformationen till exciterade elektroner i lagrade joner av typen sällsynta jordartsmetaller. Kvantbiten ska sedan kunna återskapas genom att en ny foton sänds ut från jonerna, med ett identiskt kvantillstånd jämfört med den ursprungliga fotonen.

I denna avhandling behandlar vi en viss typ av minnen där de olika specifika jonerna endast absorberar fotoner nära en viss motsvarande frekvens eller energi. På det stora hela ter sig detta i att vi får en fördelning när vi tittar på absorptionen som en funktion av frekvensen, vilket vi benämner som absorptionsspektrumet. Genom olika tekniker är det möjligt att i detalj utforma denna fördelning, vilket är avgörande för hur effektivt det optiska kvantmimmet i slutändan blir.

Genom att dessutom omgärda det absorberande mediumet med två delvis genomskinliga speglar, är det möjligt att ytterligare förbättra prestandan på minnet (en kavitet har introducerats). Denna typ är under utveckling i Lund, och har redan i experiment visat hög potential. Detta komplement tillför dock ytterligare problem i den mån att speglarna döljer absorptionsspektrumet för den utsomstående observatören, till följd att vi förlorar kontroll över minnet och därmed inte kan uppnå minnets fulla kapacitet.

Denna rapport har därför utvecklat en metod eller algoritm med syftet att lösa detta problem. Lösningen ter sig som så att genom att jämföra det elektriska fältet av en inkommande och reflekterad ljuspuls med hjälp av en algoritm, är det möjligt att indirekt klargöra utseendet på det i kaviteten existerande absorptionsspektrumet. I rapporten utveklades också en simulator med syftet att simulera det elektriska fältet inuti kaviteten, så att den utvecklade metoden kunde testas på den resulterande utdatan. Resultaten kunde bedömas som lovande då avvikelsen mellan det riktiga och det beräknade absorptionsspetrumet kunde sägas vara låg i de fall som undersöktes.

Abstract

One of the important building blocks in the quantum information field, is the so called quantum memory. Processing is usually performed on quantum information in the form of qubits, which is an analogy to the classical bits in a normal computer. A big concern however is the fact that quantum information which is represented by some quantum state of one or several particles, is easily destroyed by outside perturbations. Quantum memories which are intended to hold the quantum information, therefore present a major challenge in the real world implementation.

By using rare-earth doped crystals in impedance matched cavities in connection with a scheme based on Atomic Frequency Combs (AFCs), it's possible to create very efficient optical quantum memories. The purpose is to store incoming photons and fully preserve its quantum mechanically described parameters such as phase and polarization.

In Lund such hardware is in development, which has already showed promise with some comparatively high recorded efficiencies. However there are still technical hindrances or difficulties which prevents us from fully making use of this technique.

One these problems include the fact that since a cavity used, the rest of the storage crystal is put into obscurity, in the sense that we have no way of determining how the absorption spectrum appears inside the cavity. The aim of this thesis is to present a possible solution, in the form of some sort of algorithm which can be applied on measurement data.

Such an algorithm has been proposed in this thesis, which uses the reflected and transmitted fields from the cavity, and calculates a hypothetical absorption spectrum in the cavity medium. To determine the efficiency or validity of the method, it was applied on simulated data, originating from both a third-party developed model, and model developed in this thesis. Both of these combine quantum mechanics and Maxwell's equations, to form a set of equations called the Maxwell-Bloch equations.

• author: Ekelund, Robin
• supervisor: Lars Rippe
• organization: Atomic Physics; Department of Physics
• course: PHYM01 20132
• year: 2014
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Quantum memory, Absorption Spectrum, Cavity
• language: English
• additional info: LRAP-485
• id: 4317110
• date added to LUP: 2014-03-26 13:26:40
• date last changed: 2015-06-02 09:50:48