Atom-photon Quantum Interface for Quantum Information

Abstract

20세기 초반부터 발전된 양자역학은 현재는 가장 주요한 기본적인 물리 법칙 이 되었다. 양자정보라는 새로운 연구부야는 20세기 초 부터 형성된 양자역학의 특성을 정보과학에 접목하려는 초기의 시도들로 부터 형성이 되었으며, 현재는 아주 활발히 연구되고 있는 분야 중 하나가 되었다. 이러한 양자정보 분야가 성장 할 수록 더욱더 복잡하고 세련된 양자적 특성을 지니는 요소들이 양자정보 기술 의발전을위해요구되고있다. 그중특히본학위논문에서는양자정보의실질 적 구현을 위한 원자 광자간 양자 인터페이스에 대한 실험적 연구에 대해 다루고 있다.광자기반의 양자 비트와 원자 앙상블과의 양자 인터페이스는 양자정보에 필 수적인 요소가 될 수 있는데, 이는 이러한 양자 인터페이스가 선형 양자 전산 및 양자 중계기의 필수적인 요소인 양자 메모리로써 활용될 수 있기 때문이다. 본 학위 논문에서는 루비듐 원자 앙상블에서 전자기 유도 투과 현상을 이용한 일련 의 양자 메모리 실험에 관한 연구를 다룰 것이다. 먼저, 원자 증기셀을 기반으로 열광원의 저장과 재생에 관한 연구를 수행하였다. 이 실험에서는 빛의 저장 및 재생 과정에서 광자수 분포가 유지되는 것을 보였다. 빛의 광자수 분포는 빛의 양자 상태를 잘 보여주는 특성 중 하나로, 이러한 특성이 전자기 유도 투과 기반 의 광저장 실험에서 잘 보존된다는 것은 광저장 실험에서 빛의 양자적 특성이 잘 유지되어 양자 메모리로써의 활용가능성을 보여준다고 할 수 있다.다음으로 광자의 편광 큐비트에 대한 원자 증기셀 기반 양자메모리를 구현하 였다. 양자정보의 기본 정보 단위인 큐비트는 어떠한 이 준위의 양자 시스템으 로도 구현될 수 있는데, 그 중 빛의 편광은 광자기반 양자정보 실험에서 주요한 자원으로 활용되고 있다. 본 실험에서는 임의의 편광상태를 가지는 빛의 저장과 재생에 대한 연구를 수행한다.다중 모드의 저장이 가능한 양자메모리는 채널 용량 확대의 측면에서 그 활용 가능성이매우크다고할수있다. 따라서최근양자메모리연구동향으로양자 메모리의 다중모드 확장성에 대한 연구가 많이 수행되고 있다. 따라서 다중 공간 모드 저장 및 재생에 관한 연구를 수행한다. 구체적으로 원자 증기셀을 이용한 양자메모리의 주요한 제약으로 여겨지는 원자의 확산 운동에 따른 결어긋남을 상관관계 측정을 통해 극복한 이미지의 저장 및 재생에 관한 실험을 수행하였다. 또한 원자 증기셀 기반 양자메모리에서 유령 이미지의 저장 및 재생에 관한 연구 도수행하였다. 유령이미지는두빔사이의다중공간모드양자적혹은고전적 상관관계를 기반으로 한 이미징 테크닉이다. 따라서 본 실험에서 구현한 유령이 미지의 저장 및 재생은, 향 후 양자 이미지의 저장 및 재생으로의 활용성이 크다 고 할 수 있다.마지막으로 좁은 선폭의 비고전적 상관관계를 갖는 광자쌍 생성에 관한 연구 를 수행하였다. 원자 앙상블과 양자 광원의 양자 인터페이스의 주요한 제약은 보 통의 양자광원의 경우, 예를 들어 비선형 광결정에서 생성되는 광자쌍, 생성되는 광원의 선폭이 매우 넓어 수 MHz의 선폭을 갖는 원자 매질과 효율적으로 상호 작용을 할 수 없다는 점이다. 본 연구에서는 자기광학트랩을 이용해 포획된 냉각 원자 자체에서 사광자 혼합 과정을 통해 비고전적인 광자쌍을 생성하고, 생성된 이광자 상태의 시간적인 상관관계에 대한 완전한 제어에 관한 연구를 수행한다.

Since the early 20th century, quantum physics has been developed, well es- tablished and now become basic principles. The nascent endeavors to use the quantum mechanical properties for information science have brought a new research field, so-called quantum information, and it has become one of the most popular research field. As the field of quantum information evolves, there are a lot of demands for sophisticated quantum resources. In this thesis, I experimentally study an atom-photon quantum interface for quantum information.Interfacing a photonic qubit system with an atomic ensemble has great potentials to utilize a quantum memory, which is one of the most crucial elements for the practical implementation of linear optical quantum computer and the quantum repeater for quantum communications over long distances. Especially, I report the storage and retrieval of thermal light in warm atomic vapor by using the effect of electromagnetically induced transparency (EIT). With this experiment, I show the photon number statistics, which is a well- known method in quantum optics to verify the quantum state of light field, is preserved in the atomic vapor quantum memory.Next, I demonstrate an atomic vapor quantum memory for a photonic polarization qubit. A basic information unit in quantum information is known as qubit, which is a two-level quantum system. The polarization of light field, thus, can be used as a qubit. Here, I show an arbitrary polarization states are successfully stored and released.A quantum memory would benefit from multimode capacity, as parallel operations dramatically increase the channel capacity. Here, I address the is- sue of spatially multimode quantum memory. Specifically, I report an experi- mental demonstration of image storage, where we completely circumvent the effect of atomic diffusion onto the image quality using the correlation imaging technique. And also, I demonstrate the storage and retrieval of ghost images in hot atomic vapor. Since ghost imaging requires (quantum or classical) multimode spatial correlation between two beams of light, the experiment shows that the spatially multimode correlation can indeed be preserved during the storage-retrieval process.Finally, I demonstrate the generation of nonclassically correlated photon pair, of which bandwidth is suitably narrow enough to interface with atomic ensembles. The photon pairs are generated via the spontaneous four-wave mixing process (SFWM) in a cold atomic sample. Additionally, I also demon- strate the complete engineering of the temporal correlation of narrowband two-photon state.