Kujutise marsruutimine aatomi keerdumise sidususe kaudu | teaduslikud aruanded

Kujutise marsruutimine aatomi keerdumise sidususe kaudu | teaduslikud aruanded

Anonim

Õppeained

  • Kvantteave
  • Kvantoptika

Abstraktne

Optilise pildi sidus hoiustamine sidusalt juhitavas meediumis on paljutõotav meetod, mida on võimalik kasutada paljudes valdkondades. Selles töös anname katseliselt pildi kontrollitava ruumilise sageduse marsruutimise aatomi spin-koherentsuse kaudu tahkes olekus keskkonnas, mida juhib elektromagnetiliselt indutseeritud läbipaistvus (EIT). EIT-põhise valgussäilitusrežiimi korral salvestatakse sondi välja poolt kantav põiksuunaline ruumiline pilt aatomi spinni koherentsusesse. Lugemise juhtvälja sageduse ja ruumilise levimissuuna manipuleerimisega kantakse salvestatud pilt uude ruumilise sageduse kanalisse. Kui salvestatud teabe saamiseks kasutatakse kahte lugemiskontrolli välja, teisendatakse kujutise teave kahe ruumilise sageduse režiimi superpositsiooniks. Selle tehnika abil manipuleeritakse kujutisega sidusalt ja optiliselt kontrollitud viisil.

Sissejuhatus

Tulevane kvantteabe võrk koosneks mõnest eraldatud seadmest, milles kvantteavet saab kontrollitud viisil säilitada ja käsitseda. Valgu ja mateeria sidus interaktsioonid pakuvad eelnimetatud eesmärgi saavutamiseks võimsaid tööriistu. Silmapaistva näitena on edukalt rakendatud elektromagnetiliselt indutseeritud läbipaistvust (EIT), et manipuleerida valgusväljade kvantseisunditega 1 . EIT ainulaadsed omadused võimaldavad laias valikus sidusaid valgusainete nähtusi 2 . Eelkõige saab EIT-süsteemi kasutada oluliseks kandidaadiks valguse impulsi 3, 4 salvestamiseks. EIT-süsteemis saab valgusväljade levikut kirjeldada seotud valguse ainet ergastavate teguritega, mida nimetatakse tumeda oleku polaritooniks 5 . Juhtvälja Rabi sagedusega manipuleerides saab sondi valgust muuta aatomi spinni koherentsuseks ja vastupidiseks. Lisaks on tõestatud, et see EIT-põhine valgussäilitus vastab kvanttalletuse nõuetele ja valguseväljade kvantomadusi saab säilitada säilitamistoimingu ajal 6, 7, 8, 9 .

Kujutise sidusal ja optilisel manipuleerimisel on oluline roll paljudes valdkondades, sealhulgas holograafias, klassikalises ja kvantkorrelatsioonis, pildi ja teabe töötlemisel 10 . Enamik EIT-põhise valgusesalvestuse katseid tegeleb sondi impulsi amplituudi ja faasi varieerumisega ajapiirkonnas ning pöörab vähe tähelepanu sondi impulsi poolt kantavale ristisuunalisele ruumilisele kujutisele. Edasised rakendused nõuavad kahemõõtmelise kujutise salvestamist suure teabe intensiivsusega. Hiljuti on katseliselt läbi viidud mõned EIT-efektil põhinevad pildisalvestitega seotud protsessid 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 . Kujutise aeglustumine ja talletamine on saavutatud EIT juhitavates katsekandjates 11, 12, 13 . Soojusvalguses oleva pildi säilitamisest ja hankimisest on teatatud aatomgaasides 14, 15 . Orbitaalset nurkkiirust kandvate valgusvihu hoiustamine on katseliselt näidatud 16, 17, 18 . Salvestatud pildi sagedusmuundused on läbi viidud külmade aatomite korral 19 . Ruumilise põikisuunalise sidususe säilimist piltide salvestamisel on käsitletud ruumiliste häiringute abil 20 .

Kujutise sidus manipuleerimine EIT-põhistes meediumides on teabe töötlemiseks väga kasulik. Kujutise teisaldamine ja tükeldamine rikastab kujutisega manipuleerimise tehnikat ja on oluline pildi edasiseks töötlemiseks. Selles töös demonstreerime eksperimentaalselt pildi kontrollitavat ruumilise sageduse marsruutimist salvestatud aatomi spin-koherentsuse kaudu EIT-juhitavas tahkises. Võrreldes aatomgaasidega on tahkismeediumidel infotöötlus praktilisemad. Selle pildi marsruutimine põhineb EIT-põhisel valgusesalvestusel. EIT tingimustes kaardistatakse sondi impulsiga kantav põiksuunaline ruumipilt aatomite spinni koherentsusesse, lülitades kirjutusjuhtimisvälja välja, ja saadakse hiljem vastupidise toimingu abil. Lugemise juhtvälja sageduse ja ruumilise levimissuuna manipuleerimisega kantakse salvestatud pilt uude ruumilise sageduse kanalisse. Kui salvestatud teabe lugemiseks rakendatakse kahte lugemiskontrolli välja, jaotatakse kujutise teave üheaegselt nii lähte- kui ka edastatud infokanalitesse. Edasi analüüsitakse ülekantud pildi intensiivsust ja sarnasust algkanali omaga. Sellist ruumilise sagedusega pildi marsruutimist saab kasutada kujutise teabe suunamiseks ning erinevate infokanalite ja seadmete linkimiseks ning sellel on pilditöötluse ja infovõrgu valdkonnas olulised rakendused.

Tulemused

Kujutiste salvestamine ja suunamine toimub Pr 3+ : Y2 SiO5 (Pr: YSO) kristallide abil, nagu on kujutatud joonisel fig 1 (a). Aatomdifusioonita haruldaste muldmetallidega segustatud tahkised pakuvad ruumiliselt fikseeritud interaktsiooniühikuid 21, 22 ja võivad olla suurepäraseks kandidaadiks infotöötluses 23, 24 . Kontroll-1 väli

Image

on resonantsiga

Image
üleminek ja sond-1 väli
Image
on resonantsiga
Image
üleminek. Need kaks välja valmistavad aatomite spinni sidususe kahe madalama taseme vahel valguse salvestamise teel. Täiendav kontroll-2 väli
Image
Seda kasutatakse salvestatud aatomi spin-koherentsuse hajutamiseks sondi-2 välja tekitamiseks
Image
. Äsja loodud sond-2 väljal on nii uus sagedus kui ka uus ruumiline suund ja ruumilise sageduse marsruutimine on realiseeritud. Repump väli
Image
paarid
Image
ja seda kasutatakse populatsioonide pumpamiseks tasemele
Image
ja
Image
. Optiline mittehomogeenne laiendamine on mitu GHz ja spin-mittehomogeenne laiendamine 10, 2 MHz on umbes 30 KHz. Eksperimentaalne skeem on näidatud joonisel fig 1 (b). Laserkiirte vaheline nurk on umbes 85 mrad. Pr: YSO kristallide lisandi kontsentratsioon on 0, 05%.

Image

a ) Ioonide ühendusskeem. b ) Kujutise marsruudi katseline skemaatiline diagramm. Kontroll-1, kontroll-2, sond-1 ja kordusvälja võimsused on vastavalt 10 mW, 9 mW, 0, 6 mW ja 5 mW.

Täissuuruses pilt

Kasutades ettevalmistamisimpulsse, nagu on kirjeldatud viites. 25, joonisel 1 näidatud ioonid on valmistatud ja populatsioonid pumbatakse

Image
tasemel. Seejärel
Image
põllu sidumine
Image
üleminek ja
Image
põllu sidumine
Image
üleminekut rakendatakse EIT lambda süsteemi moodustamiseks. Salvestuse demonstratsiooni impulsside järjestused on üksikasjalikult esitatud joonisel 2 (a). Kontroll-1 välja väljalülitamisel kaardistatakse sondi-1 impulss kahe madalama taseme vahelise aatomi spinni koherentsuses. Pärast teatud säilitusaega, lülitades tagasi välja kontrolli-1 tagasi, saadakse salvestatud aatomi spinni koherentsus sondi-1 algimpulsisse. Eeldatakse, et põiksuunaline pilt salvestatakse ja saadakse selle EIT-põhise mäluseadme abil. Ruumiline põikipilt luuakse sondi-1 impulsile trükitud kolmeribalise maski abil. CCD-kaamerat kasutatakse põikisuunalise ruumilise profiili analüüsimiseks ja see käivitatakse pärast seda, kui kontroll-1 väli on otsinguprotsessis uuesti sisse lülitatud. CCD säriaeg on tehtud nii, et see vastaks väljatõmbesond-1 impulsi laiusele, et saadud pilt tõhusalt salvestada. Joonis 2 (b) näitab kolmeribalise pildi salvestamist ja allalaadimist erinevatel säilitusaegadel. On näha, et allalaaditud pildid säilitavad esialgse kolme triibuga pildi. Laekunud pildi kvantitatiivseks arutamiseks analüüsitakse pilditarkvara abil pildi intensiivsuse jaotust horisontaalsuunas. Välja tõmmatud pildi intensiivsuse profiil versus säilitusaeg on näidatud joonisel 2 (c). Kolm intensiivsuse tippu vastavad taastatud pildi kolmele ribale. On näha, et allalaaditud pildi intensiivsus väheneb koos salvestusajaga.
Image
lagunemine on tingitud aatomi koherentsuse kahanemisest, mille on tinginud spin-siirde ebahomogeenne laienemine. Salvestusaja pikendamiseks saab kasutada dünaamilisi lahutamistehnikaid ja spetsiifilisi magnetvälja orientatsioone 23, 24. Aatomigaaside kujutise salvestamisel muudab aatomi difusioon saadud pildi difuusseks 11 . See difusiooniefekt ei esine tahketes ainetes. Seega, meie puhul ei näita ülesvõetud pilt difusioonikäitumist koos säilitusajaga, ainult allalaaditud pildi intensiivsus väheneb.

Image

a ) valguse salvestamise impulsside jadad. ( b ) Väljavõetud sondi-1 kujutised erinevateks säilitusaegadeks. c ) taastatud sondi-1 kujutise intensiivsuse profiil versus säilitusaeg.

Täissuuruses pilt

Ülaltoodud salvestuses kasutatakse esialgset kontrolli-1 välja salvestatud teabe väljalugemiseks ning väljastatud optilisel pildil on sama kandesagedus ja ruumilise leviku suund kui algpildil. On tehtud mõningaid eksperimente, mis käsitlevad salvestatud impulsi taastamist uues sageduskanalis 25, 26, 27, 28, kus sondi impulss ei kanna ruumipilti . Keskendume sellele, kas salvestatud põikpilti saab hankida uuest ruumilise sagedusega kanalist. Kujutise marsruutimine sõltub uue lugemiskontrolli välja kasutamisest. Kujutise suunamise impulsside järjestused on näidatud joonisel fig 3 (a). Andmeväljavõtmisel kasutatakse salvestatud teabe väljalugemiseks välja Control-1 välja asemel Control-2. Kontroll-2 välja ja aatomi spin-sidususe vahelise interaktsiooni tõttu saadakse uus sondi-2 impulss. Selle kujutise marsruutimise põhiolemus on neljalaine segamine, mis põhineb salvestatud aatomi spinni koherentsusel. Sond-2 välja genereerimine rahuldab kahe footoni resonantsi (

Image
) ja faaside sobitamise tingimus (
Image
), nagu näidatud joonisel 1. Seega saab sondi-2 pildi sagedust ja ruumilist levimissuunda juhtida contro-2 väljaga. Joonis 3 (b) näitab taastatud sondi-2 pilte, mis on salvestatud CCD-kaamera abil juhtimisvälja 2 erinevateks detailedeks. On leitud, et taastatud sondi-2 impulsi põikprofiil säilitab esialgse kolme triibu kujutise. Selle põhjuseks on asjaolu, et sööde valmistatakse sidusalt ette kerge hoiustamise teel, kopeerib äsja loodud proovivõttur 2 sondi-1 põikisuunalise struktuuri. Märgitakse, et väljavõetud sond-2 kujutisel pole mitte ainult uus kandesagedus, vaid see on ka ruumiliselt sisendisond-1 kujutisest eraldatud. Kasutades külmi aatomeid, viide 19 on näidanud, et salvestatud pilti saab üle viia uude sagedusrežiimi. Levitatud tahke abil demonstreerime siin, et väljastatud pildil on nii uus ruumiline levimisrežiim kui ka uus sagedusrežiim.

Image

( a ) Sond-2 pildi taastamise impulsside jadad. b ) otsitud sondi-2 kujutised kontroll-2 välja erinevateks detonatsioonideks asukohas

Image
ladustamisaeg. c ) sondi-2 pildi intensiivsuse profiil versus kontroll-2 nõrgenemine. d ) ülekantud sondi-2 ja sondi-1 piltide sarnasus kontroll-2 häiringuga.

Täissuuruses pilt

Edasiselt analüüsitakse ülekantud sondi-2 pildi kvaliteeti. Joonis 3 (c) näitab sondi-2 pildi intensiivsuse profiili versus kontroll-2 välja häiringut. Väljatõmmatud pildi intensiivsus on seotud kontroll-2 välja häiringuga ja taastatud pildi maksimaalne intensiivsus vastab kontroll-2 välja nulli häiringule. Jooniselt fig 3 (b) on näha, et ülekantud sondi-2 kujutisel on sondi-1 kujutisega võrreldes pisut moonutusi, mis tulenevad peamiselt kontrolli-2 välja ja interaktsioonipiirkonna ebatäiuslikust kattumisest. Ülekantud sondi-2 pildi kvaliteedi kontrollimiseks analüüsime täiendavalt ülekantud sondi-2 pildi sarnasust R võrreldes sondi-1 kujutisega. Sarnasuse R arvutamiseks kasutatakse valemi Ref. 17,

Image
, kus
Image
ja
Image
on halli skaala intensiivsus, mis on registreeritud kahe võrreldava pildi pikslites m ja n. Joonis 3 (d) näitab kahe pildi sarnasust kontroll-2 välja häiringuga. Kõik saadud sarnasused on ülalpool
Image
, mis näitab, et ülekantud pildil on kõrge kvaliteet kui algkanalites. Sarnasus sõltub nõrgalt kontroll-2 häiringust, ehkki sondi-2 kujutise intensiivsus on seotud kontroll-2 nõrgenemisega. Väike sarnasuse ja variatsiooni kontroll-2 hälbe erinevus on tingitud pildi taustmüra mõjust. Taustmüra pärineb peamiselt eksperimentaalkeskkonna hajumisest ja katseseadmete vibratsioonimürast. Kuna kahel pildil on erinevad ruumilised levimissuunad, on kahe pildi taustmüra erinev. Nõrga sondi-2 kujutise intensiivsuse korral on ülekantud kujutisel madal signaali-müra suhe ja taustmüra mõju on veelgi parem. Taustmüra eiramisel peaks sarnasus püsima muutumatuna. Sarnasus sõltub peamiselt kontroll-2 välja ja salvestatud aatomi spin-koherentsuse kattumisest. Reguleerides kontroll-2 välja positsiooni kristallis hoolikalt, saavutame hea kattumise. Kui muudame kontroll-2 detoneerimist, hoitakse kontrolli-2 välja asukoht kristallis peaaegu muutumatuna. Nii et sarnasus püsib eeldatavasti muutumatuna, kui kontroll-2 pidurdamine muutub.

Järgmisena demonstreerime, et salvestatud pilti saab jälgida nii selle alg- kui ka ülekantud ruumiliste sageduste kanalites. Selle operatsiooni impulsside jadad on näidatud joonisel fig 4 (a). Sel juhul kasutatakse salvestatud teabe lugemiseks korraga kahte juhtvälja. Kahe loetud juhtimisvälja ja salvestatud aatomi spin-koherentsuse vastastikuse mõju tõttu saadakse kaks sondi välja. Joonis fig 4 (b) näitab väljavõetud pilte kahes infokanalis erineva juhtimis-2 intensiivsuse korral. Eksperimendis hoitakse kontroll-1 intensiivsust konstantsena ja kontroll-2 intensiivsust muudetakse. On näha, et nii proovivõtturi-1 kui ka sondi-2 põikprofiilidel on mõlemad triibud. Saadud sondi-1 ja sondi-2 kujutised pärinevad samast allikast, st salvestatud aatomi spinni koherentsusest. Ristsuunaline pilt kantakse sond-1 ja sond-2 režiimide superpositsioonile, kasutades otsinguprotsessis kahte lugemisjuhtimisvälja. Kui katses kasutatakse kahte lugemiskontrolli välja, teisendatakse algne ühe lambda süsteem topelt lambda süsteemiks. Sellises EIT-süsteemis on iga pilti kandva taastatud impulsi intensiivsus võrdeline vastava juhtimisvälja 28 intensiivsusega. Nii saab pildi intensiivsust kahes infokanalis kontrollida lugemisjuhtimisvälja muutmisega. Joonis fig 4 (c, d) näitab sondi-1 ja sondi-2 kujutise intensiivsuse profiili võrreldes kontroll-2 intensiivsusega. Leiti, et kui kontroll-2 intensiivsus suureneb, siis sondi-2 pildi intensiivsus muutub tugevamaks ja sondi-1 pildi intensiivsus nõrgemaks. Kujutise intensiivsuse varieerumine peegeldab otseselt Ref. Impulsi intensiivsuse varieerumist. 28.

Image

( a ) Sond-1 ja sondi-2 kujutiste üheaegse hankimise impulssjärjestused. ( b ) Sond-1 ja sondi-2 kujutised erineva intensiivsusega kontroll-2 juures temperatuuril

Image
ladustamisaeg. ( c, d ) Sond-1 ja sond-2 kujutiste intensiivsuse profiilid võrreldes kontroll-2 intensiivsusega.

Täissuuruses pilt

Arutelu

Oleme eksperimentaalselt näidanud pildi kontrollitavat ruumilise sageduse marsruutimist salvestatud aatomi spin-koherentsuse kaudu EIT-juhitud kristallis. Sondimpulsi kantav põiksuurus salvestatakse dünaamilise EIT abil aatomi spinni koherentsuses. Lugetava juhtimisvälja spektriga manipuleerides saab salvestatud pildi edastada uude ruumilise sagedusega kanalisse. Lisaks saab salvestatud pildi teisendada kahe ruumilise sageduse režiimi superpositsiooniks, kasutades kahte lugemisjuhtimisvälja, et hajutada aatomi spinni koherentsus. See kujutise marsruutimine võimaldab meil manipuleerida kujutise teabega sidusal ja optiliselt ning on kasulik erinevate infokanalite ja seadmete ühendamiseks.

Meetodid

Pr: YSO kristall, milles dopandi kontsentratsioon on 0, 05%, asetatakse 3, 5 K temperatuurini jahutatud krüostaadi sisse. Valguse levimissuunaks valitakse kristall b-telg piki 3 mm. Esialgse laserallikana kasutatakse ühe režiimi värvilaserit 1 MHz joonlaiusega. Laseri lainepikkus on reguleeritud

Image

optiline üleminek 605, 977 nm. Alglaser jaotatakse kiirguseguritega vajalikuks laserkiireks. Iga laserkiir läbib akustilisoptilist modulaatorit (AOM), mis võimaldab meil iseseisvalt manipuleerida vastava valgusvälja sageduse, intensiivsuse ja impulssijadaga. Objektiivi kaudu tehakse kõik laserkiired kristallis ruumiliselt kattuks. Laserkiirte vaheline nurk on umbes 85 mrad. Sond-1 väli läbib ristkujutise saamiseks ruumimaski. Kristalli läbiv sondi kiir jagatakse täiendavalt kaheks talaks: üks suunatakse fotodioodile (PD), mis jälgib impulsi intensiivsust ajapiirkonnas; ja teine ​​on juhitud CCD-kaamerasse, mis jälgib ruumipiirkonnas põikipilti.

Lisainformatsioon

Kuidas seda artiklit tsiteerida : Wang, L. jt. Kujutise suunamine aatomi keerdumise sidususe kaudu. Sci. Rep. 5, 18179; doi: 10.1038 / srep18179 (2015).

Kommentaarid

Kommentaari esitamisega nõustute järgima meie tingimusi ja kogukonna juhiseid. Kui leiate midagi kuritahtlikku või mis ei vasta meie tingimustele või juhistele, märkige see sobimatuks.