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Composite and Adiabatic Techniques for Efficient EIT Light Storage in Pr3+:Y2SiO5

Schraft, Daniel :
Composite and Adiabatic Techniques for Efficient EIT Light Storage in Pr3+:Y2SiO5.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6506]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2016)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6506

Kurzbeschreibung (Abstract)

The present work deals with techniques to improve the EIT-based light storage in an all solid-state memory, i.e. a rare-earth ion-doped PrYSO crystal. The performance of such a memory can be defined by its capability to store light pulses with high efficiency and for long storage durations. In general, the storage efficiency is theoretically limited by the EIT-LS protocol efficiency, while the storage duration is limited by decoherence processes in the solid-state memory. Thus, we first optimized the EIT-LS efficiency at short storage durations. We then investigated the performance of composite and adiabatic techniques for efficient and robust rephasing and finally applied composite techniques for DDC to extend the coherence lifetime in our storage medium.

Optimization of the EIT Light Storage Efficiency: In order to optimize the EIT-LS protocol we performed systematic measurements of the EIT-LS efficiency in a PrYSO crystal featuring an optical depth d of 6. The optical depth sets the theoretical limit of the EIT-LS protocol efficiency. We experimentally optimized the efficiency by systematic variations of the control pulse power and the probe pulse duration. Furthermore, we applied an iterative algorithm, to optimize the temporal shape of the probe pulse. We found a maximal protocol efficiency 36 %, comparable to the theoretical limit. In order to increase the optical depth d, we developed a multipass setup for the probe beam, consisting of a ringlike arrangement, which is compatible with the geometrical constraints given by the existing setup. This multipass setup allows the simple variation of the number of probe passes N through the crystal and thus enables a flexible change of the effective optical depth. With this setup we achieved up to 16 probe passes through the PrYSO crystal, which corresponds to an increase of the effective optical depth from 6 to 96. We experimentally optimized the EIT-LS efficiency at variable optical depths. At N=14, i.e. an effective optical depth of about 84, we achieved an EIT-LS efficiency of 76.3 % in forward retrieval configuration, reaching previous values in an EIT-driven memory of cold atoms and achieving the highest ever obtained EIT-LS efficiency in a solid-state memory. However, due to losses at the optical components, the setup efficiency was limited to about 25.2 % at N=2. As future work will focus on the storage of few photons, it will thus be necessary to improve the optical components, to achieve adequate detection efficiencies. It might also be useful, to further investigate possibilities for backward readout configurations combined with a multipass probe setup.

Composite and Adiabatic Rephasing of Atomic Coherences: In order to extend the EIT-LS duration of our memory towards the coherence lifetime, we implemented composite and adiabatic rephasing techniques, exhibiting an improved robustness regarding variations and fluctuations of experimental parameters. We investigated their performance regarding experimental variations, in an application for rephasing of atomic coherences in the inhomogeneously broadened hyperfine transition of PrYSO. First, we applied universal composite pulses (UCP). UCP were originally designed for robust and high-fidelity population inversion in a two-state system, compensating simultaneous variations in any type of experimental parameter. We have experimentally shown that UCP exhibit an enhanced robustness to variations in several experimental parameters. Using UCP we could increase the higher rephasing efficiency about 25 %, compared to diabatic π pulses. UCP can be useful whenever significant unknown experimental variations or fluctuations prevent the application of diabatic π pulses. Second, we demonstrated a first experimental implementation of composite adiabatic passage (CAP). Essentially, CAP is a composite version of RAP, consisting of a sequence of RAP pulses with appropriately chosen relative phases. CAP was proposed to improve RAP in situations of fairly fulfilled adiabaticity. We compared the performance of CAP and RAP at different degrees of adiabaticity. In particular, we systematically investigated their performance with respect to variations in pulse duration and static detuning. We found CAP to be able to compensate for weak adiabaticity, leading to constant and high rephasing efficiency, irrespectively of the exact choice of the experimental parameters. These properties of CAP can be of interest whenever robust state manipulations are required, while sufficient adiabaticity cannot be provided, e.g. due to experimental restrictions. Third, we performed a first experimental demonstration of single-shot shaped pulses (SSSP), derived from techniques on shortcuts to adiabaticity. We demonstrated the capability of SSSP for efficient and robust rephasing and compared our results with diabatic π pulses. A further comparison with other adiabatic techniques might be necessary to provide a broader insight on SSSP. All three presented techniques can be used to improve the robustness of an population inversion or rephasing process. However, different requirements on the control of the experimental parameters have to be fulfilled. UCP, and CAP rely on identical pulses and a precise relative phase control, i.e. within a few degrees. CAP in addition needs a simple control of the time-dependent detuning. The complex time-dependent Rabi frequency and detuning of SSSP require a much more sophisticate control of experimental parameters. Thus, the choice of an adequate technique strongly depends on the actual experimental situation, i.e. on the experimentally controllable parameters.

Composite Pulses for Dynamic Decoherence Control: We investigated the performance of UCP and universal robust (UR) sequences for DDC of directly RF-prepared coherences. We compared our results with well known CPMG DD and KDD sequences. We performed systematic measurements with respect to the cycling time, the phase of the coherence and the order of UCP and UR DD sequence. We found time separated UR DD sequences to be robust with respect to the phase of the coherence. We applied these DD sequences on EIT-LS coherences and compared with CPMG DD and KDD in XY4. Our experiments showed that our UR DD sequences can outperform the often considered state-of-the-art KDD in XY4 sequence, yielding about a factor of 2 longer coherence lifetimes. Combining our results on optimized EIT-LS with advanced composite DD sequences and static decoherence control by ZEFOZ might provide a major step towards the development of an all solid-state quantum memory.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Schraft, Daniel
Titel: Composite and Adiabatic Techniques for Efficient EIT Light Storage in Pr3+:Y2SiO5
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

The present work deals with techniques to improve the EIT-based light storage in an all solid-state memory, i.e. a rare-earth ion-doped PrYSO crystal. The performance of such a memory can be defined by its capability to store light pulses with high efficiency and for long storage durations. In general, the storage efficiency is theoretically limited by the EIT-LS protocol efficiency, while the storage duration is limited by decoherence processes in the solid-state memory. Thus, we first optimized the EIT-LS efficiency at short storage durations. We then investigated the performance of composite and adiabatic techniques for efficient and robust rephasing and finally applied composite techniques for DDC to extend the coherence lifetime in our storage medium.

Optimization of the EIT Light Storage Efficiency: In order to optimize the EIT-LS protocol we performed systematic measurements of the EIT-LS efficiency in a PrYSO crystal featuring an optical depth d of 6. The optical depth sets the theoretical limit of the EIT-LS protocol efficiency. We experimentally optimized the efficiency by systematic variations of the control pulse power and the probe pulse duration. Furthermore, we applied an iterative algorithm, to optimize the temporal shape of the probe pulse. We found a maximal protocol efficiency 36 %, comparable to the theoretical limit. In order to increase the optical depth d, we developed a multipass setup for the probe beam, consisting of a ringlike arrangement, which is compatible with the geometrical constraints given by the existing setup. This multipass setup allows the simple variation of the number of probe passes N through the crystal and thus enables a flexible change of the effective optical depth. With this setup we achieved up to 16 probe passes through the PrYSO crystal, which corresponds to an increase of the effective optical depth from 6 to 96. We experimentally optimized the EIT-LS efficiency at variable optical depths. At N=14, i.e. an effective optical depth of about 84, we achieved an EIT-LS efficiency of 76.3 % in forward retrieval configuration, reaching previous values in an EIT-driven memory of cold atoms and achieving the highest ever obtained EIT-LS efficiency in a solid-state memory. However, due to losses at the optical components, the setup efficiency was limited to about 25.2 % at N=2. As future work will focus on the storage of few photons, it will thus be necessary to improve the optical components, to achieve adequate detection efficiencies. It might also be useful, to further investigate possibilities for backward readout configurations combined with a multipass probe setup.

Composite and Adiabatic Rephasing of Atomic Coherences: In order to extend the EIT-LS duration of our memory towards the coherence lifetime, we implemented composite and adiabatic rephasing techniques, exhibiting an improved robustness regarding variations and fluctuations of experimental parameters. We investigated their performance regarding experimental variations, in an application for rephasing of atomic coherences in the inhomogeneously broadened hyperfine transition of PrYSO. First, we applied universal composite pulses (UCP). UCP were originally designed for robust and high-fidelity population inversion in a two-state system, compensating simultaneous variations in any type of experimental parameter. We have experimentally shown that UCP exhibit an enhanced robustness to variations in several experimental parameters. Using UCP we could increase the higher rephasing efficiency about 25 %, compared to diabatic π pulses. UCP can be useful whenever significant unknown experimental variations or fluctuations prevent the application of diabatic π pulses. Second, we demonstrated a first experimental implementation of composite adiabatic passage (CAP). Essentially, CAP is a composite version of RAP, consisting of a sequence of RAP pulses with appropriately chosen relative phases. CAP was proposed to improve RAP in situations of fairly fulfilled adiabaticity. We compared the performance of CAP and RAP at different degrees of adiabaticity. In particular, we systematically investigated their performance with respect to variations in pulse duration and static detuning. We found CAP to be able to compensate for weak adiabaticity, leading to constant and high rephasing efficiency, irrespectively of the exact choice of the experimental parameters. These properties of CAP can be of interest whenever robust state manipulations are required, while sufficient adiabaticity cannot be provided, e.g. due to experimental restrictions. Third, we performed a first experimental demonstration of single-shot shaped pulses (SSSP), derived from techniques on shortcuts to adiabaticity. We demonstrated the capability of SSSP for efficient and robust rephasing and compared our results with diabatic π pulses. A further comparison with other adiabatic techniques might be necessary to provide a broader insight on SSSP. All three presented techniques can be used to improve the robustness of an population inversion or rephasing process. However, different requirements on the control of the experimental parameters have to be fulfilled. UCP, and CAP rely on identical pulses and a precise relative phase control, i.e. within a few degrees. CAP in addition needs a simple control of the time-dependent detuning. The complex time-dependent Rabi frequency and detuning of SSSP require a much more sophisticate control of experimental parameters. Thus, the choice of an adequate technique strongly depends on the actual experimental situation, i.e. on the experimentally controllable parameters.

Composite Pulses for Dynamic Decoherence Control: We investigated the performance of UCP and universal robust (UR) sequences for DDC of directly RF-prepared coherences. We compared our results with well known CPMG DD and KDD sequences. We performed systematic measurements with respect to the cycling time, the phase of the coherence and the order of UCP and UR DD sequence. We found time separated UR DD sequences to be robust with respect to the phase of the coherence. We applied these DD sequences on EIT-LS coherences and compared with CPMG DD and KDD in XY4. Our experiments showed that our UR DD sequences can outperform the often considered state-of-the-art KDD in XY4 sequence, yielding about a factor of 2 longer coherence lifetimes. Combining our results on optimized EIT-LS with advanced composite DD sequences and static decoherence control by ZEFOZ might provide a major step towards the development of an all solid-state quantum memory.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik > Nichtlineare Optik und Quantenoptik
Hinterlegungsdatum: 09 Jul 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6506
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-65069
Gutachter / Prüfer: Halfmann, Prof. Dr. Thomas ; Walther, Prof. Dr. Thomas ; Walser, Prof. Dr. Reinhold ; Vogel, Prof. Dr. Michael
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 Dezember 2016
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Diese Dissertation ist Teil eines Projektes, mit dem Ziel der Entwicklung eines zuverlässigen und effizienten Quantendatenspeichers zur optischen Quanteninformationsverarbeitung. Die Verarbeitung von Quanteninformationen bietet die Chance die klassische Datenverarbeitung und moderne Kommunikationsnetzwerke, mit ihren beschränkten Möglichkeiten zur Steigerung von Rechenleistung und Speicherkapazität, ablösen zu können. Ein häufig diskutierter Ansatz stellt die Wechselwirkung von Photonen als Informationsträger mit atomaren Systemen dar, deren Eigenschaften durch quantenmechanische Gesetze bestimmt sind und damit die Fähigkeit besitzen quantenmechanische Superpositionszustände tragen zu können. Zur Realisierung einer vollständig quanten-optischen Informationsverarbeitung wird daher ein optischer Quanten-Datenspeicher benötigt. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung eines solchen optischen Quanten-Datenspeichers, auf Basis eines seltenerd-dotierten Kristalls. Als Speichermedien besitzen seltenerd-dotierte Kristalle vorteilhafte spektroskopische Eigenschaften, insbesondere geringe Wechselwirkungen und damit schmale homogene Linienbreiten, ähnlich kalter atomarer Gase. Sie zeichnen sich darüber hinaus durch ihre einfache Handhabung und ihre Skalierbarkeit aus und eignen sich daher gut für den Einsatz in Anwendungen außerhalb der Grundlagenforschung. In den letzten Jahrzehnten wurde eine Vielzahl unterschiedlicher Protokolle zur Speicherung quanten-optischer Information entwickelt. In dieser Arbeit kommt ein Protokoll, basierend auf dem Effekt der elektromagnetisch induzierten Transparenz (EIT), zum Einsatz. Dieses ermöglicht es einen Informationen tragenden Lichtpuls (Speicherpuls) in eine kollektive atomare Kohärenz des Speichermediums zu übertragen. Speichereffizienz und maximale Speicherzeit werden im Allgemeinen durch das verwendete Speicherprotokoll und das Speichermedium definiert. Das Ziel dieser Arbeit war die Optimierung eines solchen EIT-basierten quanten-optischen Datenspeichers realisiert in einem Praseodym-dotierten Yttrium-ortho-Silikat (PrYSO) Kristall. Zunächst wurde die Speichereffizienz des EIT Lichtspeicherprotokolls optimiert. Hierzu wurden systematische Untersuchungen der EIT Speichereffizienz durchgeführt. Die EIT Speichereffizienz wird im Allgemeinen durch die optische Dichte des Speichermediums begrenzt. Seltenerd-dotierte Kristalle zur Datenspeicherung besitzen in der Regel relativ geringe Dotierungsgrade und damit geringe optische Dichten um spannungsinduzierte Linienverbreiterungen zu minimieren. Der hier verwendete PrYSO Kristall wies eine optische Dichte von 6 auf. Bei gegebener optischer Dichte wird die Speichereffizienz durch die Parameter von Kontroll- und Speicherpuls bestimmt. Es wurden daher zunächst die experimentellen Parameter von Kontroll- und Speicherpuls systematisch variiert und die Lichtspeichereffizienz optimiert. Die maximal erreichte EIT Speichereffizienz betrug 36 % und ist vergleichbar mit theoretisch ermittelten maximalen Speichereffizienzen bei optischen Dichten von 6. Um die Speichereffizienz weiter steigern zu können wurden verschiedene Ansätze zur Erhöhung der optischen Dichte diskutiert. Es wurde ein optischer Ring entwickelt um den Speicherpuls mehrfach durch den PrYSO Kristall leiten zu können. Dieser erlaubt eine variable Einstellung der Anzahl der Durchläufe N des Speicherpulses durch den PrYSO Kristall. Es ergibt sich eine effektive optische Dichte. Die EIT Speichereffizienz wurde für verschiedene effektive optische Dichten optimiert. Für N=14 und einer effektiven optischen Dichte von 84 wurde eine EIT Speichereffizienz von 76.3 % erreicht. Dies entspricht aktuell der höchsten Speichereffizienz realisiert mittels EIT in einem Festkörper. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden komposite und adiabatische Techniken zur Verlängerung der Speicherzeit untersucht. In PrYSO wird die maximale Speicherzeit durch die Lebensdauer der atomaren Kohärenzen bestimmt. In der Regel liegen die erreichbaren Speicherzeiten einige Größenordnungen unter dem theoretischen Maximum. Die atomaren Kohärenzen werden in einem inhomogen verbreiterten Hyperfeinübergang präpariert. Dies führt zu unterschiedlicher Phasenevolution der einzelnen Kohärenzen. Dieser Effekt ist als Dephasierung bekannt und verhindert ein effektives Auslesen der Information für Speicherzeiten länger als die Dephasierungszeit. Häufig werden diabatische π-Pulse zur Rephasierung eingesetzt. Diese benötigen jedoch für eine effiziente Rephasierung präzise definierte Pulsparameter und verfügen lediglich über eine geringe Stabilität gegenüber Variationen experimenteller Parameter. In der Kern-Spin-Resonanz werden komposite Pulse seit langem eingesetzt um Pulsfehler und Inhomogenitäten zu kompensieren. Allerdings können die meisten kompositen Pulse lediglich spezielle Formen von Pulsfehlern kompensieren. In dieser Arbeit wurden zunächst univeral composite pulses (UCP) zur Rephasierung atomarer Kohärenzen untersucht. UCP zeichnen sich dadurch aus, dass sie in der Lage sind jede Art von Inhomogenität oder Variation von Pulsparametern kompensieren zu können. In systematischen Messungen konnte gezeigt werden, dass UCP, im Vergleich zu π-Pulsen, eine deutlich höhere Stabilität gegen Variationen von experimentellen Parametern aufweisen. Insbesondere konnte gezeigt werden, dass UCP zur gleichzeitigen Kompensation verschiedener Arten von Pulsfehlern eingesetzt werden können. Die Rephasierungseffizienz konnte im Vergleich zu einfachen π-Pulsen um bis zu 25 % gesteigert werden. Weiterhin wurden zwei adiabatische Techniken zur Rephasierung atomarer Kohärenzen untersucht. Diese weisen, solange die Adiabasiebedingung ausreichend erfüllt ist, eine hohe Stabilität gegenüber Schwankungen von experimentellen Parametern auf. Allerdings werden dazu häufig relativ lange Wechselwirkungszeiten benötigt. Kann die Adiabasiebedingung nur unzureichend erfüllt werden, nimmt ihre Stabilität gegenüber experimentellen Schwankungen deutlich ab. Um adiabatische Prozesse unter solchen Bedingungen verwenden zu können wurde von Torosov et al. die Verwendung eines kompositen adiabatischen Prozesses, composite adiabatic passage (CAP), vorgeschlagen. CAP ist eine komposite Erweiterung von rapid adiabatic passage (RAP) und wurde zur Optimierung unzureichend adiabatischer Prozesse entwickelt. In dieser Arbeit wurde eine erste experimentelle Impementierung von CAP vorgestellt. Es wurden systematische Messungen zur Rephasierungseffizienz von RAP und CAP bei unterschiedlich erfüllter Adiabasiebedingung durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass CAP auch bei unzureichender Adiabasie eine hohe und stabile Rephasierungseffizienz liefert, unabhängig von der genauen Wahl der Pulsparameter. Des Weiteren wurden single-shot shaped pulses (SSSP) zur Rephasierung eingesetzt. Diese Pulse basieren auf der Idee, einer Reduzierung der Wechselwirkungsdauer adiabatischer Prozesse. Es konnte gezeigt werden, dass SSSP zur Rephasierung eingesetzt werden können und im Vergleich zu π-Pulsen, ein robusteres Verhalten aufweisen. Ein weiterer Vergleich mit RAP und CAP steht noch aus. Die in dieser Arbeit untersuchten Rephasierungstechniken unterscheiden sich insbesondere in der benötigten Kontrolle über die verschiedenen experimentellen Parameter. Zur Implementierung von UCP werden lediglich identische Pulse und eine relative Phasenkontrolle zwischen den Pulsen, mit einer Genauigkeit von wenigen Grad, vorausgesetzt. Die relativen Phasenänderungen sollten möglichst instantan umgesetzt werden können. Die zeitliche Pulsform spielt hier keine Rolle. Für CAP ist neben der Phasenkontrolle zusätzlich eine zeitlich variable Verstimmung erforderlich. Für SSSP muss ein komplexer zeitlicher Verlauf der Rabifrequenz und der Verstimmung experimentell umgesetzt werden können. Hierfür wird eine möglichst exakte und schnelle Kontrolle der experimentellen Parameter benötigt. Die Wahl einer bestimmten Rephasierungstechnik, wird daher neben den zu kompensierenden Inhomogenitäten des Systems, entscheidend von der möglichen Kontrolle der verschiedenen experimentellen Parameter bestimmt. Neben der reversiblen Dephasierung treten in PrYSO stochastische Phasenänderungen einzelner Kohärenzen auf, die durch eine einfache Rephasierung nicht kompensiert werden können. Diese begrenzen die Kohärenzzeit in der Regel auf 500 µs. Solche Phasenänderungen können nicht unterdrückt werden, allerdings ist es möglich statische und dynamische Techniken anzuwenden, die den Einfluss dieser Phasenänderungen auf die Kohärenzzeit minimieren. Die dynamische Dekohärenzkontrolle basiert auf der schnellen und häufigen Wechselwirkung von Invertierungspulsen mit den präparierten Kohärenzen. Meistens werden dazu identische π-Pulse verwendet, die mit einer Wiederholrate größer als die Zeitskala der stochastischen Phasenänderungen eingestrahlt werden. Pulsfehler der eingestrahlten π-Pulse können die Effizienz der dynamischen Dekohärenzkontrolle reduzieren. Es wurden daher in dieser Arbeit komposite Pulse zur dynamischen Dekohärenzkontrolle eingesetzt. Insbesondere wurden UCP und universal robust (UR) Sequenzen untersucht und die Ergebnisse mit bekannten Sequenzen zur dynamischen Entkopplung, wie CPMG, KDD und KDD in XY4, verglichen. Die hier vorgestellten UR Sequenzen konnten die erreichten Speicherzeiten, im Vergleich zu KDD in XY4, nochmals um einen Faktor 2 steigern. Die Kombination, der in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse, hoher EIT Lichtspeichereffizienzen und moderner Techniken zur dynamischen Dekohärenzkontrolle, mit statischer Dekohärenzkontrolle soll in Zukunft eingesetzt werden um Lichtpulse mit wenigen Photonen speichern zu können. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen somit einen wichtigen Schritt zur Entwicklung eines Festkörper-basierten Quantendatenspeichers dar.Deutsch
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