Przestrzenna modulacja fazy jako nastawny mechanizm transferu informacji między światłem, a pamięcią kwantową

Niniejsza rozprawa doktorska skupia się na zagadnieniu dopasowania fazowego w pamięci kwantowej działającej na zimnej chmurze atomów ^{87}Rb, gdzie jako interfejs między światłem, a atomami wykorzystano nierezonansowe rozpraszanie Ramana. Przedstawione zostały wyniki eksperymentów oraz rozważania na temat sterowania procesem odczytu z pamięci poprzez wykorzystanie efektu Zeemana, ac-Starka, kontrolę geometrii wiązek laserowych, czy też wykorzystanie pierścieniowej wnęki optycznej. W rozdziale 2 wprowadzona jest teoria oddziaływania światła z atomami w trójpoziomowym układzie \Lambda. Analizowana jest wpływ czynników takich jak natężenia wiązek, ich odstrojenia, geometria, czy też gęstość optyczna, na szybkość i wydajność odczytu, a także straty związane z dekoherencją, czy absorpcją światła. Rozdział 3 prezentuje generację fikcyjnego pola magnetycznego za pomocą efektu ac-Starka z rozdzielczością przestrzenną. Za jego pomocą modulowana była przestrzenna faza precesji spinów oscylujących w zewnętrznym polu magnetycznym. Uzyskane w eksperymencie wyniki pokazują, że kontrola przestrzennej fazy umożliwia niejako włączanie lub wyłączanie odczytu z pamięci kwantowej. Rozdział 4 przedstawia eksperymentalną modulację przestrzennej fazy fal spinowych w pamięci kwantowej przy wykorzystaniu efektu ac-Starka. Zaprezentowana została możliwość kompensacji bezpośrednio na falach spinowych dowolnych aberracji układu obrazującego. Za pomocą pomiarów interferencyjnych na kamerze bliskiego pola oraz bezpośrednich pomiarów na kamerze dalekiego pola została również dokładnie scharakteryzowana praca przestrzennego modulatora fazy fal spinowych. Rozdział 5 pokazuje połączenie pamięci typu GEM z przestrzenną modulacją fazy. Zaprezentowano eksperymentalną realizację spektrometru o bardzo wysokiej rozdzielczości (20 kHz ~ 83 peV ~ 6\times10^{-7}cm^{-1}), dostosowanego do wąskopasmowej emisji atomowej. Przeanalizowana jest również zależność pomiędzy rozdzielczością, szerokością pasma oraz wydajnością spektrometru. Rozdział 6 proponuje możliwą realizację konwertera modów umożliwiającego konwersję fal spinowych przechowywanych w różnych modach przestrzennych naszej pamięci kwantowej na ciąg impulsów wprzęganych do światłowodu jednomodowego. Zaprezentowane są wyniki symulacji numerycznych odczytu z pamięci wewnątrz pierścieniowej wnęki optycznej oraz manipulacja kierunkiem emisji fotonu za pomocą wiązki odczytującej o kontrolowanym kącie padania na chmurę atomową.

This doctoral thesis focuses on the issue of phase matching in a quantum memory operating on a cold cloud of ^{87}Rb atoms, where non-resonant Raman scattering is used as an interface between light and atoms. Experimental results and considerations for controlling the memory readout process by using the Zeeman effect, ac-Stark effect, controlling the laser beam geometry, or using an optical ring cavity are presented. Chapter 2 introduces the theory of the interaction between light and atoms in a three-level \Lambda system. The influence of factors such as beam intensities, beam offsets, beam geometry, or optical density on the readout rate and efficiency, as well as losses due to decoherence, or light absorption are analysed. Chapter 3 presents the generation of a fictitious magnetic field using the ac-Stark effect with spatial resolution. Using it, the spatial precession phase of spins oscillating in an external magnetic field was modulated. The results obtained in the experiment show that the control of the spatial phase allow us to turn on or off the quantum memory readout. Chapter 4 presents the experimental modulation of the spatial phase of spin waves in quantum memory using the ac-Stark effect. The possibility of compensating directly on the spin waves for any aberrations of the imaging system is presented. Using interference measurements on a near-field camera and direct measurements on a far-field camera, the operation of the spatial spin wave phase modulator is also characterised in detail. Chapter 5 shows the combination of a GEM with spatial phase modulation. An experimental implementation of a very high resolution spectrometer (20 kHz ~ 83 peV ~ 6\times10^{-7}cm^{-1}) adapted to narrowband atomic emission is presented. The relationship between resolution, bandwidth and spectrometer efficiency is also analysed. Chapter 6 proposes a possible implementation of a mod converter enabling the conversion of spin waves stored in different spatial modes of our quantum memory onto a sequence of pulses coupled into a single-mode optical fibre. Results of numerical simulations of the memory readout inside an annular optical cavity are presented, as well as the manipulation of the photon emission direction using a readout beam with a controlled angle of incidence on the atomic cloud.