Kvantovaya pamyat' s interfeysom na osnove chastotnogo preobrazovaniya

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Предложена схема квантовой памяти с интерфейсом на основе частотного преобразования, которая объединяет в одном резонаторе процессы записи/воспроизведения фотонов в резонансном многоатомном ансамбле и однофотонного частотного преобразования в нелинейной среде. По сравнению с независимыми квантовой памятью и частотным преобразователем, предлагаемый подход позволяет избежать лишних потерь при вводе/выводе излучения и полностью обойти необходимость согласования рабочих длин волн и полос двух устройств. Получено решение уравнений Гейзенберга–Ланжевена, описывающее цикл записи-воспроизведения однофотонного волнового пакета, на основе которого сформулированы условия достижения высокой эффективности квантовой памяти, в частности – модифицированные условия согласованной нагрузки.

References

  1. M. Guo, S. Liu, W. Sun, M. Ren, F. Wang, and M. Zhong, “Rare-earth quantum memories: The experimental status quo”, Front. Phys. 18, 21303 (2023).
  2. Y. Lei, F.K. Asadi, T. Zhong, A. Kuzmich, C. Simon, and M. Hosseini, “Quantum optical memory for entanglement distribution”, Optica 10, 1511 (2023).
  3. С.А. Моисеев, М.М. Миннегалиев, К.И. Герасимов, Е.С. Моисеев, А.Д. Деев, Ю.Ю. Балега, “Оптическая квантовая память на атомных ансамблях: физические принципы, эксперименты и возможности применения в квантовом повторителе”, УФН 195, 455 (2025)
  4. S.A. Moiseev, M.M. Minnegaliev, K. I. Gerasimov, E. S. Moiseev, A.D. Deev, and Yu.Yu. Balega, “Optical quantum memory in atomic ensembles: physical principles, experiments, and potential of application in a quantum repeater”, Phys.-Uspekhi 68, 431 (2025).
  5. C. Liu, M. Wang, S.A. Stein, Y. Ding, and A. Li, “Quantum memory: A missing piece in quantum computing units”, doi: 10.48550/arxiv.2309.14432 (2023).
  6. K. Azuma, S.E. Economou, D. Elkouss, P. Hilaire, L. Jiang, H.-K. Lo, and I. Tzitrin, “Quantum repeaters: From quantum networks to the quantum internet”, Rev. Mod. Phys. 95, 045006 (2023).
  7. Р.А. Ахмеджанов, Ю.Ю. Балега, А.Д. Деев, А.А. Калачев, “Квантовые повторители: актуальные направления исследований и последние достижения”, УФН 195, 909 (2025)
  8. R.A. Akhmedzhanov, Yu.Yu. Balega, A.D. Deev, A.A. Kalachev, “Quantum repeaters: current research trends and latest achievements”, Phys.-Uspekhi 68, 857 (2025).
  9. X. Fernandez-Gonzalvo, G. Corrielli, B. Albrecht, M. L. Grimau, M. Cristiani, and H. de Riedmatten, “Quantum frequency conversion of quantum memory compatible photons to telecommunication wavelengths”, Opt. Express 21, 19473 (2013).
  10. B. Albrecht, P. Farrera, X. Fernandez-Gonzalvo, M. Cristiani, and H. de. Reidmatten, “A waveguide frequency converter connecting rubidium-based quantum memories to the telecom C-band”, Nat. Commun. 5, 3376 (2014).
  11. N. Maring, D. Lago-Rivera, A. Lenhard, G. Heinze, and H. de Riedmatten, “Quantum frequency conversion of memory-compatible single photons from 606 nm to the telecom C-band”, Optica 5, 507 (2018).
  12. X. Wang, X. Jiao, B. Wang, Y. Lio, H.-P. Xie, M.-Y. Zheng, O. Zhang, and J.-W. Pan, “Quantum frequency conversion and single-photon detection with lithium niobate nanophotonic chips”, npj Quantum Inf. 9, 38 (2023).
  13. B. Eric, M. Satula, Y.Q. Huan et al. (Collaboration), “Telecom Networking with a Diamond Quantum Memory”, PRX Quantum 5, 010303 (2024).
  14. M. Allgaier, V. Ansari, L. Sansoni, C. Eigner, V. Oiring, R. Riken, G. Harder, B. Brecht, and C. Silberhorn, “Highly efficient frequency conversion with bandwidth compression of quantum light”, Nat. Commun. 8, 14288 (2017).
  15. P. J. Bustard, K. Bonsma-Fisher, C. Hnatovsky, D. Grobnic, S. J. Mihailov, D. England, and B. J. Sussman, “Toward a Quantum Memory in a Fiber Cavity Controlled by Intracavity Frequency Translation”, Phys. Rev. Lett. 128, 120501 (2022).
  16. L. Ma, X. Lei, J. Yan, R. Li, T. Chai, Z. Yan, X. Jia, C. Xie, and K. Peng, “High-performance cavityenhanced quantum memory with warm atomic cell”, Nat. Commun. 13, 2368 (2022).
  17. M. Sabooni, Q. Li, S. Kroll, and L. Rippe, “Efficient Quantum Memory Using a Weakly Absorbing Sample”, Phys. Rev. Lett. 110, 133604 (2013).
  18. P. Jobez, I. Usmani, N. Timoney, C. Laplane, N. Gisin, and M. Afzelius, “Cavity-enhanced storage in an optical spin-wave memory”, New J. Phys. 16, 083005 (2014).
  19. S. Duranti, S. Wengerowsky, L. Feldmann, A. Seri, B. Casabone, and H. de Riedmatten, “Efficient cavityassisted storage of photonic qubits in a solid-state quantum memory”, Opt. Express 32, 26884 (2024).
  20. S. Ming, J. Guo, Y.Wu, G. Bao, S.Wu, M. Shi, L. Chen, and W. Zhang, “Cavity-enhanced storage in an optical spin-wave memory”, Sci. China Inf. Sci. 66, 180505 (2023).
  21. N. Maring, D. L.-Rivera, A. Lenhard, G. Heinze, and H. de Riedmatten, “Quantum frequency conversion of memory-compatible single photons from 606 nm to the telecom C-band”, Optica 5, 507 (2018).
  22. Q. Li, M. Davanco, and K. Srinivasan, “Efficient and low-noise single-photon-level frequency conversion interfaces using silicon nanophotonics”, Nat. Photonics 10, 406 (2016).
  23. A. Singh, Q. Li, S. Liu, Y. Yu, X. Lu, C. Schneider, S. H¨ofling, J. Lawall, V. Verma, R. Mirin, S.W. Nam, J. Liu, and K. Srinivasan, “Quantum frequency conversion of a quantum dot single-photon source on a nanophotonic chip”, Optica 6, 563 (2019).
  24. F. Mann, H.M. Chrzanowski, F. Gewers, M. Placke, and S. Ramelow, “Low-noise quantum frequency conversion in a monolithic cavity with bulk periodically poled potassium titanyl phosphate”, Phys. Rev. Appl. 20, 054010 (2023).
  25. D.O. Akat’ev, and A.A. Kalachev, “Optical parametric oscillator with quantum memory for quantum repeaters”, Laser Phys. 33, 015202 (2022).
  26. A.V. Gorshkov, A. Andre, M.D. Lukin, and A. S. Sorensen, “Photon storage in Λ-type optically dense atomic media. I. Cavity model”, Phys. Rev. A 76, 033804 (2007).
  27. M. Afzelius and C. Simon, “Impedance-matched cavity quantum memory”, Phys. Rev. A 82, 022310 (2010).
  28. S.A. Moiseev, S.N. Andrianov, and F. F. Gubaidullin, “Efficient multimode quantum memory based on photon echo in an optimal QED cavity”, Phys. Rev. A 82, 022311 (2010).
  29. A. Kalachev and O. Kocharovskaya, “Quantum storage via refractive index control”, Phys. Rev. A 83, 053849 (2011).
  30. A. Kalachev and O. Kocharovskaya, “Multimode cavity-assisted quantum storage via continuous phasematching control”, Phys. Rev. A 88, 033846 (2013).
  31. X. Zhang, A. Kalachev, and O. Kocharovskaya, “Quantum storage based on control-field angular scaling”, Phys. Rev. A 87, 013811 (2013).
  32. M. J. Collett and C.W. Gardiner, “Squeezing of intracavity and traveling-wave light fields produced in parametric amplification”, Phys. Rev. A 30, 1386 (1984).
  33. C.W. Gardiner and M. J. Collett, “Input and output in damped quantum systems”, Phys. Rev. A 31, 3761 (1985).
  34. L. Taneja, D. I. Schuster, and J. Simon, “Lightcontrolled strong coupling of optical cavity modes spaced by 200THz”, arXiv:2503.00833 (2025).
  35. А.Д. Бережной, А.А. Калачев, “Квантовая память на основе нерезонансного рамановского взаимодействия в примесных кристаллах: анализ отношения сигнал/шум”, Квант.электроника 47, 790 (2017)
  36. A.D. Berezhnoi and A.A. Kalachev, “Off-resonant Raman quantum memory in impurity crystals: signaltonoise ratio analysis”, Quantum Electron. 47, 790.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).