RU2766051C1

RU2766051C1 - Method for suppressing quantum noise in optical quantum memory based on protocol for reconstructing suppressed photon echo in resonator (embodiments)

Info

Publication number: RU2766051C1
Application number: RU2020143728A
Authority: RU
Inventors: Сергей Андреевич Моисеев; Константин Игоревич Герасимов; Мансур Марселевич Миннегалиев; Равиль Василевич Урманчеев; Алексей Михайлович Желтиков; Андрей Борисович Федотов
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2022-02-07

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to computer engineering. Method of suppressing quantum noise in optical quantum memory based on a suppressed photon echo recovery protocol, which consists in using two refracting controllers π-pulses, wherein a working substance with a low optical density is used, placed in an optical resonator and controlled by intense laser beams propagating in parallel at an angle to the axis of the resonator in a transverse geometry to the propagation of the signal radiation, used is the change in the frequency of the Q-factor of the optical resonator in the time interval, involving the action of two control laser pulses, a procedure for preparing the absorption spectrum of the quantum memory working substance is used, in which atoms which do not fall within the operating range of quantum memory corresponding to the spectrum of the signal pulse are removed.

EFFECT: suppression of quantum noise in optical quantum memory based on suppressed photon echo recovery protocol.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к способам оптической квантовой памяти, основанной на использовании эффекта фотонного эха в атомах с естественным неоднородным уширении резонансного перехода, в котором реализуется эффективное подавление квантовых шумов в эхо-сигнале, воспроизводящим квантовое состояние сигнального светового импульса за счет использования вещества с малой оптической плотностью в оптическом резонаторе с поперечной геометрией распространения слабого (однофотонного) сигнального и интенсивного контролирующего пучков и процедурой подготовки спектра поглощения рабочего вещества памяти. Устройство может быть использовано в системах квантовых вычислений, квантовой нейросети, спутниковой и оптической волоконной связи, телекоммуникационных технологиях, в системах интегральной оптики и нанофотоники, в системах защиты квантовой связи.The invention relates to optical quantum memory methods based on the use of the photon echo effect in atoms with a natural inhomogeneous broadening of the resonant transition, which implements effective suppression of quantum noise in the echo signal, reproducing the quantum state of the signal light pulse through the use of a substance with a low optical density in an optical resonator with a transverse propagation geometry of weak (single-photon) signal and intense control beams and a procedure for preparing the absorption spectrum of the memory working substance. The device can be used in quantum computing systems, quantum neural networks, satellite and optical fiber communications, telecommunication technologies, integrated optics and nanophotonics systems, quantum communications protection systems.

К настоящему времени созданы и успешно функционируют многокубитные квантовые компьютеры и системы квантовых коммуникации, однако отсутствие долгоживущей многокубитовой квантовой памяти существенно ограничивает их возможности, что делает разработку оптической квантовой памяти критически важным направлением исследований в области разработки квантовых технологий. To date, multi-qubit quantum computers and quantum communication systems have been created and are successfully operating, but the lack of long-lived multi-qubit quantum memory significantly limits their capabilities, which makes the development of optical quantum memory a critically important area of research in the development of quantum technologies.

Устройства квантовой памяти должны сохранять квантовые состояния фотонов и воспроизводить их по требованию, что является ключевым компонентом универсального квантового компьютера и квантовых коммуникаций на дальние расстояния. Для применения в квантовых коммуникациях устройства оптической квантовой памяти должны уметь сохранять однофотонные поля на телекоммуникационной длине волны - фотонных кубиты, которые могут распространяться на дальние расстояния, не подвергаясь сильной декогеренции. Кроме того, сохранение состояния фотонов в памяти не должно сопровождаться необратимым изменением их состояний при восстановлении из ячейки памяти, что происходит при наличии избыточного уровня квантовых шумов, вносимых эффектами декогеренции в системе атомов-носителей квантовой информации в ячейке квантовой памяти. Quantum memory devices must store the quantum states of photons and reproduce them on demand, which is a key component of a universal quantum computer and quantum communications over long distances. To be used in quantum communications, optical quantum memory devices must be able to store single-photon fields at the telecommunications wavelength - photonic qubits that can propagate over long distances without undergoing strong decoherence. In addition, the storage of the state of photons in the memory should not be accompanied by an irreversible change in their states when restored from the memory cell, which occurs in the presence of an excess level of quantum noise introduced by decoherence effects in the system of quantum information carrier atoms in the quantum memory cell.

В настоящее время предложен ряд схем (протоколов) оптической квантовой памяти. Память на эффекте электромагнитно-индуцированной прозрачности (EIT), основанной на управлении медленным светом в оптически плотной трехуровневой среде, квантовая память на нерезонансном рамановском взаимодействии света с трехуровневой системой атомов, управляемой когерентным лазерным излучением, действующим на смежном атомном переходе, а также серия протоколов, основанных на использовании эффекта фотонного эха. Это протоколы с управляемой инверсией неоднородного уширения линии (CRIB, GEM), с периодической структурой узких линий поглощения (AFC), которые требуют использования непростой процедуры приготовления специального спектрального профиля на неоднородно уширенной линии резонансного атомного перехода, что ограничивает рабочий спектральный диапазон памяти, оптическую плотность рабочего вещества и влияет на эффективность восстановления фотонных кубитов из ячейки квантовой памяти. At present, a number of schemes (protocols) for optical quantum memory have been proposed. Memory based on the effect of electromagnetically induced transparency (EIT), based on the control of slow light in an optically dense three-level medium, quantum memory based on non-resonant Raman interaction of light with a three-level system of atoms, controlled by coherent laser radiation acting on an adjacent atomic transition, as well as a series of protocols, based on the use of the photon echo effect. These are protocols with controlled inversion of inhomogeneous line broadening (CRIB, GEM), with a periodic structure of narrow absorption lines (AFC), which require the use of a complex procedure for preparing a special spectral profile on an inhomogeneously broadened line of a resonant atomic transition, which limits the working spectral range of memory, optical density working substance and affects the efficiency of photonic qubit recovery from a quantum memory cell.

К настоящему времени в экспериментах по оптической квантовой памяти получен ряд критически важных результатов, позволивших поднять эффективность памяти до 90 %, время сохранения фотонных кубитов до 1 мс. и выше. Показано, что возможно хранение большого числа фотонных кубитов в одной ячейке памяти и возможно увеличение времени жизни памяти до нескольких часов. Однако реализованные протоколы не дают возможности добиваться всех критически важных показателей квантовой памяти в одном устройстве, то есть реализовать необходимую спектральную ширину памяти, высокую эффективность и точность запоминания квантового состояния достаточно большого числа фотонных кубитов на заданное время сохранения для, что делает необходимым разработку более эффективных подходов для создания практически значимой квантовой памяти.To date, a number of critically important results have been obtained in experiments on optical quantum memory, which made it possible to increase the memory efficiency to 90%, the storage time of photonic qubits to 1 ms. and higher. It is shown that it is possible to store a large number of photonic qubits in one memory cell, and it is possible to increase the lifetime of the memory up to several hours. However, the implemented protocols do not make it possible to achieve all the critical indicators of quantum memory in one device, i.e., to achieve the required spectral memory width, high efficiency and accuracy of memorizing the quantum state of a sufficiently large number of photonic qubits for a given storage time for, which makes it necessary to develop more efficient approaches. to create practically meaningful quantum memory.

Среди перспективных схем квантовой памяти на фотонном эхе вызывают интерес протоколы, основанные на использовании естественного неоднородного уширения резонансного перехода (ROSE, HYPER, ARM). Эти протоколы открывают возможности заметного упрощения в экспериментальной реализации квантовой памяти на фотонном эхе, что, однако ставит проблемы в достижении высокой точности восстановления квантовых состояний, вызванные появлением оптических квантовых шумов, которые пока не позволяет их использовать для работы с фотонными кубитами и требует дальнейшего усовершенствования этих протоколов. Наиболее близким аналогом настоящего изобретения является устройство квантовой памяти ROSE-протокола, описанное в патенте Le Gouet et al. United States, US 2013/0279235 A1, Pub. Date: Oct. 24, 2013.Among promising quantum memory schemes based on photon echo, protocols based on the use of natural inhomogeneous broadening of the resonant transition (ROSE, HYPER, ARM) are of interest. These protocols open up the possibility of a significant simplification in the experimental implementation of photon echo quantum memory, which, however, poses problems in achieving high accuracy in the reconstruction of quantum states caused by the appearance of optical quantum noise, which does not yet allow them to be used to work with photon qubits and requires further improvement of these protocols. protocols. The closest analogue of the present invention is the ROSE protocol quantum memory device described in the patent of Le Gouet et al. United States, US 2013/0279235 A1, Pub. Date: Oct. 24, 2013.

В настоящем изобретении предлагается способ подавления квантовых шумов в оптической квантовой памяти на фотонном эхе за счет использования вещества с малой оптической плотностью в оптическом резонаторе с поперечной геометрией распространения слабого (однофотонного) сигнального и интенсивного контролирующего пучков и процедурой подготовки спектра поглощения рабочего вещества памяти. The present invention proposes a method for suppressing quantum noise in optical quantum memory on a photon echo by using a substance with a low optical density in an optical cavity with a transverse propagation geometry of a weak (single-photon) signal and intense control beams and a procedure for preparing the absorption spectrum of the memory working substance.

Аналог состоит из рабочего вещества (кристалл 0.1% at. Tm3+:YAG), охлажденного до температуры ниже точки кипения жидкого гелия (4.2 К), рабочая длина волны определяется длиной волны перехода 3H4 → 3H6 ионов тулия (~793 нм). Низкая температура позволяет получить время фазовой релаксации (~50 мкс) на оптическом переходе и времена хранения того же порядка.The analog consists of a working substance (0.1% at. Tm3+:YAG crystal) cooled to a temperature below the boiling point of liquid helium (4.2 K), the working wavelength is determined by the wavelength of the 3H4 → 3H6 transition of thulium ions (~793 nm). The low temperature makes it possible to obtain the phase relaxation time (~50 μs) at the optical transition and storage times of the same order.

Импульс слабого сигнального светового поля (в пределе однофотонного волнового пакета) поглощается рабочим веществом в момент времени t=0, причем степень поглощения определяется оптической плотностью рабочего вещества, в связи с чем полное поглощение света и перенос квантового состояния света в вещество становится невозможным при низкой концентрации примесных ионов в рабочем области образца. Далее, через время τ/2, после действия двух интенсивных контролирующих лазерных импульсов, разделенных временным интервалом τ и вызывающих рефазировку возбужденных диполей, происходит восстановление атомной когерентности и излучение сигнала эха. The pulse of a weak signal light field (in the limit of a single-photon wave packet) is absorbed by the working substance at time t=0, and the degree of absorption is determined by the optical density of the working substance, and therefore the complete absorption of light and the transfer of the quantum state of light into the substance becomes impossible at a low concentration impurity ions in the working area of the sample. Further, after a time τ/2, after the action of two intense controlling laser pulses separated by a time interval τ and causing rephasing of the excited dipoles, the atomic coherence is restored and the echo signal is emitted.

Для точного восстановления атомной когерентности во всем объеме среды импульсная площадь каждого из лазерных импульсов должна равняться π, а направление их распространения выбирается противоположным сигнальному полю. При такой геометрии нарушается условие фазового синхронизма для первичного фотонного эха и потому оно не излучается после первого π-импульса, что необходимо для подавления оптических квантовых шумов, возникающих у сигнала эха при наличии инверсии атомного перехода (отсюда возникает термин “подавленное фотонное эхо”). Восстановление поглощенной средой сигнального светового импульса происходит после второго π-импульса через время τ/2, поскольку для фотонного эха в данном случае выполняется условие фазового синхронизма. Критически важно то, что использование идеальных двух π-импульсов не приводит к избыточному возбуждению системы атомов на момент излучения сигнала эха и потому вызывает максимальное подавление оптических квантовых шумов в сигнале эха, которые вызываются спонтанным радиационными переходами атомов в основновное состояние. Однако, практика показывает, что реализация π-импульсов в схеме аналога встречает серьезные трудности в силу большой оптической плотности атомного перехода и сложной геометрии схемы. Кроме того, использование π-импульсов с гауссовым временным и пространственным распределением дает плохие результаты для когерентного контроля атомов в рабочем спектральном диапазоне, поэтому авторами аналога было предложено использовать чипированные по частоте импульсы To accurately restore atomic coherence in the entire volume of the medium, the impulse area of each of the laser pulses must be equal to π, and the direction of their propagation is chosen opposite to the signal field. With such a geometry, the phase-matching condition for the primary photon echo is violated and, therefore, it is not emitted after the first π-pulse, which is necessary to suppress the optical quantum noise that occurs in the echo signal in the presence of atomic transition inversion (hence the term “suppressed photon echo” arises). The recovery of the signal light pulse by the absorbed medium occurs after the second π-pulse after a time τ/2, since the phase-matching condition is satisfied for the photon echo in this case. It is critically important that the use of ideal two π-pulses does not lead to excessive excitation of the system of atoms at the moment of emission of the echo signal and therefore causes the maximum suppression of optical quantum noise in the echo signal, which are caused by spontaneous radiative transitions of atoms to the ground state. However, practice shows that the implementation of π-pulses in the analog circuit encounters serious difficulties due to the high optical density of the atomic transition and the complex geometry of the circuit. In addition, the use of π-pulses with a Gaussian temporal and spatial distribution gives poor results for the coherent control of atoms in the working spectral range, so the authors of the analogue proposed to use frequency-chipped pulses

с соблюдением условия адиабатичности возбуждения атомов. Такие импульсы позволили авторам аналога реализовать протокол восстановления спящего эха для малофотонных световых импульсов. Однако при этом минимально возможное сохраняемых в среднем число фотонов сигнального импульса было не менее ~14 фотонов при отношении сигнал/шум ~1 для восстановлении сигнала эха из памяти. Невозможность работы с однофотонным сигнальными полями (фотонными кубитами), вызванная большим уровнем оптического квантового шума говорит о необходимости значительного совершенствования ROSE протокола - разработки дополнительных способов подавления квантового шума. subject to the condition of adiabatic excitation of atoms. Such pulses allowed the authors of the analogue to implement the sleeping echo recovery protocol for low-photon light pulses. However, in this case, the minimum possible number of photons of the signal pulse stored on average was no less than ~14 photons at a signal-to-noise ratio of ~1 to restore the echo signal from memory. The impossibility of working with single-photon signal fields (photon qubits), caused by a high level of optical quantum noise, indicates the need for a significant improvement in the ROSE protocol - the development of additional methods for suppressing quantum noise.

Недостатки аналога, вызывающие появление избыточных квантовых шумов можно сформулировать следующим образом:The disadvantages of the analog that cause the appearance of excess quantum noise can be formulated as follows:

1. Использование оптически плотной среды в схеме аналога, что приводит к появлению оптических шумов на нескольких стадиях работы данной схемы квантовой памяти, где высокий уровень шумов определяется общим большим числом атомов, возбуждаемых интенсивными контролирующими лазерными импульсами и спонтанно излучающих шумовые фотоны в сигнальную световую моду. Среднее число спонтанно излучаемых фотонов пропорционально атомной оптической плотности среды и вероятности распада возбужденного атомного состояния, что не может быть уменьшено в свободном пространстве нахождения рабочего вещества, что является общим главным источником оптических квантовых шумов данной схемы. 1. The use of an optically dense medium in the analog circuit, which leads to the appearance of optical noise at several stages of operation of this quantum memory circuit, where a high noise level is determined by the total large number of atoms excited by intense control laser pulses and spontaneously emitting noise photons into the signal light mode. The average number of spontaneously emitted photons is proportional to the atomic optical density of the medium and the decay probability of the excited atomic state, which cannot be reduced in the free space of the working substance, which is the common main source of optical quantum noise of this scheme.

2. Уровень оптических шумов в восстановленном сигнале эха может быть снижен за счет обеспечения высокоточного контроля атомной когерентности двумя лазерными управляющими импульсами, как это делалось в работах. Для этого лазерные импульсы должны иметь импульсную площадь максимально близкую к π на резонансном атомном переходе. Однако при распространении в оптически плотной среде, эти импульсы испытывают сильное поглощение (первый импульс) и сильное усиление (второй импульс), оказывающие слишком большое изменение их параметров, что неприемлемо для обеспечения сохранности импульсной площади световых импульсов, их длительности, фазы и, соответственно, обеспечения высокоточного когерентного контроля квантового состояния атомов к моменту излучения сигнала эха.2. The level of optical noise in the reconstructed echo signal can be reduced by providing high-precision control of atomic coherence with two laser control pulses, as was done in the works. To do this, laser pulses should have a pulse area as close as possible to π at the resonant atomic transition. However, when propagating in an optically dense medium, these pulses experience strong absorption (the first pulse) and strong amplification (the second pulse), which change their parameters too much, which is unacceptable to ensure the preservation of the pulsed area of light pulses, their duration, phase, and, accordingly, ensuring high-precision coherent control of the quantum state of atoms by the moment of emission of the echo signal.

3. Необходимость обеспечения фазового синхронизма между атомной когерентностью и излучаемым эхо-сигналом во всем рабочем объеме, что важно для достижения высокой эффективного протокола, усложняется экспериментальными трудностями реализации трехмерной пространственной геометрии в распространении неколлинеарных управляющих лазерных импульсов, при которой должна обеспечиваться генерация сигнала эха строго в обратном направлении по отношению к сигнальному импульсу, в соответствии с базовой обратимой схемой квантовой памяти на фотонном эхе (S.A. Moiseev, and S. Kroll. Complete reconstruction of the quantum state of a single-photon wave packet absorbed by a doppler-broadened transition. Physical Review Letters 87, 173601 (2001)). 3. The need to ensure phase matching between atomic coherence and the emitted echo signal in the entire working volume, which is important for achieving a high efficient protocol, is complicated by experimental difficulties in implementing three-dimensional spatial geometry in the propagation of noncollinear control laser pulses, which should ensure the generation of an echo signal strictly in in the opposite direction with respect to the signal pulse, in accordance with the basic reversible photon echo quantum memory scheme (SA Moiseev, and S. Kroll. Complete reconstruction of the quantum state of a single-photon wave packet absorbed by a doppler-broadened transition. Physical Review Letters 87, 173601 (2001)).

4. Использование коллинеарной геометрии распространения контролирующих полей в оптически плотной среде схемы аналога также сопряжено со сложностями обеспечении равновероятного возбуждения атомов лазерными пучками во всем активном объеме образца, где происходило поглощение сигнального импульса. Сложности вызваны необходимостью компенсации неравномерного влияния поглощения на параметры контролирующих лазерных полей в среде.4. The use of the collinear geometry of propagation of control fields in an optically dense medium of the analog circuit is also associated with difficulties in ensuring equiprobable excitation of atoms by laser beams in the entire active volume of the sample, where the signal pulse was absorbed. The difficulties are caused by the need to compensate for the uneven effect of absorption on the parameters of the controlling laser fields in the medium.

В силу отмеченных выше ограниченных возможностей обеспечения высокоточного когерентного контроля атомов интенсивными лазерными полями и высокой оптической плотности среды схема рассматриваемого аналога квантовой памяти приводит к появлению неустранимых оптических квантовых шумов в восстановленном сигнале эха, уровень которых не позволяет сохранять квантовые состояния однофотонных световых полей в такой памяти. Due to the above limited possibilities for providing high-precision coherent control of atoms by intense laser fields and the high optical density of the medium, the scheme of the quantum memory analog under consideration leads to the appearance of irremovable optical quantum noise in the reconstructed echo signal, the level of which does not allow one to store the quantum states of single-photon light fields in such a memory.

Технический результат заявляемого способа заключается в подавлении квантовых шумов в оптической квантовой памяти на основе протокола восстановления подавленного фотонного эха.The technical result of the proposed method is to suppress quantum noise in optical quantum memory based on the protocol for recovering the suppressed photon echo.

Технический результат достигается тем, что используется рабочее вещество с малой оптической плотностью, помещенное в оптический резонатор и управляемое интенсивными лазерными пучками, распространяющихся параллельно под углом к оси резонатора в поперечной геометрии к распространению сигнального излучения, используется изменение частоты добротности оптического резонатора во временном интервале, включающем действие двух управляющих лазерных импульсов, используется процедура подготовки спектра поглощения рабочего вещества квантовой памяти, при которой убираются атомы, не попадающие в рабочий диапазон квантовой памяти, соответствующий спектру сигнального импульса.The technical result is achieved by using a working substance with a low optical density, placed in an optical resonator and controlled by intense laser beams propagating parallel at an angle to the resonator axis in a transverse geometry to the propagation of signal radiation, using a change in the Q-factor frequency of the optical resonator in a time interval including the action of two control laser pulses, the procedure for preparing the absorption spectrum of the working substance of quantum memory is used, in which atoms are removed that do not fall into the working range of quantum memory corresponding to the spectrum of the signal pulse.

Образец с атомами-носителями квантовой памяти помещается в оптический резонатор Фабри-Перо, параметры которого выбираются согласованными с коэффициентом резонансного поглощения света атомами образца (S.A. Moiseev, F. F. Gubaidullin and S. N. Andrianov, Quantum computer of wire circuit architecture, arXiv:1001.1140 7 Jan 2010; S. A. Moiseev, S. N. Andrianov, and F. F. Gubaidullin. Efficient multi-mode quantum memory based on photon echo in optimal QED cavity, Phys. Rev. A 82, 022311 (2010)). Использование такого резонатора обеспечивает полное поглощение сигнального поля с эффективным переносом его состояния в систему атомов даже при использовании оптически тонкой атомной среды. Последняя возможность открывает возможности использования нескольких дополнительных инструментов для значительного подавления оптических квантовых шумов, возникающих в схеме-аналоге квантовой памяти даже за счет использования резонатора с не слишком высокой добротности. При повышении добротности резонатора оптическая плотность атомного перехода будет уменьшаться, что будет приводить к дальнейшему уменьшению квантовых шумов, что делает использование высокодобротных резонаторов более предпочтительным для более сильного подавления оптических квантовых шумов. A sample with quantum memory carrier atoms is placed in an optical Fabry-Perot resonator, the parameters of which are chosen to match the coefficient of resonant absorption of light by sample atoms (SA Moiseev, FF Gubaidullin and SN Andrianov, Quantum computer of wire circuit architecture, arXiv:1001.1140 7 Jan 2010; SA Moiseev, SN Andrianov, and FF Gubaidullin, Efficient multi-mode quantum memory based on photon echo in optimal QED cavity, Phys. Rev. A 82, 022311 (2010)). The use of such a resonator provides complete absorption of the signal field with efficient transfer of its state to a system of atoms even when using an optically thin atomic medium. The latter possibility opens up the possibility of using several additional tools to significantly suppress the optical quantum noise that occurs in the quantum memory analog circuit even through the use of a resonator with a not too high quality factor. As the quality factor of the resonator increases, the optical density of the atomic transition will decrease, which will lead to a further decrease in quantum noise, which makes the use of high-quality resonators more preferable for stronger suppression of optical quantum noise.

Устройство для реализации способа представлено на Фиг. 1, где The device for implementing the method is shown in Fig. 1, where

1 - источник фотонных кубитов1 - source of photonic qubits

2 - ячейка памяти, состоящая из оптического резонатора в который помещается кристалл, активированный редкоземельными ионами 2 - memory cell consisting of an optical resonator in which a crystal activated by rare earth ions is placed

3 - рефазирующие импульсы3 - rephasing pulses

4 - контроллер частоты резонатора4 - resonator frequency controller

5 - блок синхронизации5 - synchronization block

6 - канал детектирования6 - detection channel

7 - блок детектирования7 - detection unit

8 - пользовательский интерфейс.8 - user interface.

Перед началом записи фотона в ячейку памяти 2, происходит приготовление атомов внутри спектрального диапазона, отвечающего спектру фотонов путем удаления атомов, не попадающих в этот спектр, но попадающие в спектр моды оптического резонатора, находящегося в ячейке памяти 2. Сигнальные фотонные кубиты из Источника фотонных кубитов 1 посылаются в моду резонатора, находящегося в ячейке памяти 2, и поглощаются атомной системой в ячейке памяти 2. Сразу после поглощения меняется частота резонатора с помощью контроллера частоты резонатора 4, или его добротность, после этого под углом к оси резонатора на ячейку квантовой памяти посылаются первый контролирующий лазерный рефазирующий импульс с импульсной площадью π на рабочем атомном переходе с источника рефазирующих лазерного импульсом 3 через временной интервал τ/2 после влета сигнального фотонного кубита. С паузой τ после действия первого рефазирующего импульса, на ячейку памяти посылается второй рефазирующий лазерный импульс в том же направлении распространении и с той же импульсной площадью π, что и первый рефазирующий импульс. После воздействия второго импульса восстанавливается частота резонатора или его добротность и спустя время τ/2 после второго рефазирующего лазерного импульса ячейкой квантовой памяти излучается сигнал эха, восстанавливающий квантовое состояние сигнального фотонного кубита, который детектируется блоком детектирования 7. Общий временной интервал процесса 2τ меньше времени жизни квантовой памяти. Выполнение протокола контролируется пользовательским интерфейсом 8, используя блок синхронизации, который управляет работой блоков 1, 3, 6, 7.Before recording a photon to memory cell 2, atoms are prepared within the spectral range corresponding to the photon spectrum by removing atoms that do not fall into this spectrum, but fall into the mode spectrum of the optical cavity located in memory cell 2. Signal photon qubits from the Photon Qubit Source 1 are sent into the mode of the resonator located in memory cell 2 and absorbed by the atomic system in memory cell 2. Immediately after absorption, the frequency of the resonator is changed using the frequency controller of resonator 4, or its quality factor, after which, at an angle to the axis of the resonator, the first controlling laser rephasing pulse with a pulsed area π at the working atomic transition from the source of rephasing laser pulse 3 in a time interval τ/2 after the arrival of the signal photon qubit. With a pause τ after the action of the first rephasing pulse, a second rephasing laser pulse is sent to the memory cell in the same propagation direction and with the same pulse area π as the first rephasing pulse. After the impact of the second pulse, the frequency of the resonator or its quality factor is restored, and after a time τ/2 after the second rephasing laser pulse, the quantum memory cell emits an echo signal that restores the quantum state of the signal photonic qubit, which is detected by the detection unit 7. The total time interval of the process 2τ is less than the lifetime of the quantum memory. The execution of the protocol is controlled by the user interface 8 using a synchronization block that controls the operation of blocks 1, 3, 6, 7.

В данном изобретении предлагается использование поперечной геометрии распространения сигнального фотонного кубита и контролирующих рефазирующих лазерных полей. Данная геометрия становится возможным использовать благодаря малой оптической плотности среды, когда световое поле сигнального фотонного кубита, попадая в оптический резонатор, переходит в световое поле моды резонатора, которая может быть как бегущей волной в случае кольцевого резонатора, так и стоячей волной в резонаторе Фабри-Перо. В силу однородного по пространству возбуждения атомов образца ячейки квантовой памяти световым полем моды резонатора (в условиях низкой оптической плотности атомного перехода) становится возможным использование распространения двух рефазирующих лазерных полей с волновыми векторами к₂, к₃, направленными под произвольным одним и тем же углом (ниже именуемой поперечной геометрией распространения) к оси резонатора вдоль которой распространяются световое поле моды резонатора с волновым вектором к₁ (в кольцевом резонаторе) и с волновыми векторами к₁ и -к₁ (в Фабри-Перо резонаторе). Такие рефазирующие лазерные импульсы не приводят к возбуждению первичного светового эха, так как волновой вектор волны поляризации первичного эха |2к₂-к₁| или |2к₂+к₁| не равны |к₁|, но способны вызывать появление спящего эха с эффективностью близкой к 100% благодаря выполнению условия фазового синхронизма для этой волны поляризации в силу 2к₃-2к₂+к₁=к₁ и 2к₃-2к₂-к₁=-к₁ при к₃=к₂. Эта возможность отличает данную схему от аналога и реализуется благодаря использованию оптического резонатора в силу пренебрежимо малого пространственного изменения сигнального поля в оптически тонком образце вдоль оптической оси резонатора и в силу отсутствия в этом случае необходимости излучения сигнала эха в направлении, обратном к сигнальному полю. This invention proposes the use of a transverse propagation geometry of a signal photon qubit and controlling rephasing laser fields. This geometry becomes possible to use due to the low optical density of the medium, when the light field of the signal photon qubit, entering the optical resonator, passes into the light field of the resonator mode, which can be either a traveling wave in the case of a ring resonator or a standing wave in the Fabry-Perot resonator . Due to the spatially uniform excitation of atoms of the quantum memory cell sample by the light field of the resonator mode (under conditions of low optical density of the atomic transition), it becomes possible to use the propagation of two rephasing laser fields with wave vectors k ₂ , k ₃ , directed at an arbitrary one and the same angle ( referred to below as the transverse propagation geometry) to the resonator axis along which the light field of the resonator modes with wave vector k ₁ (in a ring resonator) and with wave vectors k ₁ and -k ₁ (in a Fabry-Perot resonator) propagate. Such rephasing laser pulses do not lead to the excitation of the primary light echo, since the wave vector of the polarization wave of the primary echo |2k ₂ -k ₁ | or |2k ₂ +k ₁ | are not equal to |k ₁ |, but are capable of causing the appearance of a sleeping echo with an efficiency close to 100% due to the fulfillment of the phase matching condition for this polarization wave due to 2k ₃ -2k ₂ +k ₁ \u003d k ₁ and 2k ₃ -2k ₂ -k ₁ \u003d-k ₁ when k ₃ \u003d k ₂ . This possibility distinguishes this scheme from its analogue and is realized due to the use of an optical resonator due to the negligible spatial change of the signal field in an optically thin sample along the optical axis of the resonator and due to the absence in this case of the need to emit an echo signal in the direction opposite to the signal field.

Фиг. 2 представлены а) атомные уровни и квантовые переходы между ними, вызываемые действие сигнального (синий цвет), контролирующие (зеленый цвет), сигнал эха (красный цвет), б) временная последовательность световых импульсов; в) поперечная геометрия в свободном пространстве, не дающая 100% эффективности; г) поперечная геометрия (называемая ортогональной в тексте) в оптическом резонаторе, позволяющая реализацию 100% эффективности. Fig. 2 shows a) atomic levels and quantum transitions between them, caused by the action of the signal (blue), controlling (green), echo signal (red), b) the time sequence of light pulses; c) transverse geometry in free space, not giving 100% efficiency; d) transverse geometry (called orthogonal in the text) in the optical cavity, allowing the implementation of 100% efficiency.

В частном случае образца игло-образной формы, вытянутого вдоль оси резонатора, то есть в случае использования предельно малого размера поперечного сечения образца, содержащего активные атомы ячейки квантовой памяти сопоставимого с длиной волны излучения, можно подобрать угол падения контролирующих полей, необходимый для сильного подавления первичного эха. In the particular case of a needle-shaped sample elongated along the resonator axis, that is, in the case of using an extremely small cross-sectional size of a sample containing active atoms of a quantum memory cell comparable to the radiation wavelength, it is possible to choose the angle of incidence of the control fields necessary for strong suppression of the primary echo.

Возможность использования поперечной геометрии дает дополнительные преимущества оптически тонкой среды в использовании ее когерентного контроля рефазирующими лазерными импульсами, распространяющимися в поперечной геометрии к направлению распространения светового поля в моде резонатора. За счет значительного уменьшения оптической плотности атомов становится пренебрежимо малым и изменение параметров контролирующих лазерных импульсов (их интенсивности, временной формы и фазы). Малость изменения параметров светового поля из-за незначительного их поглощения в среде делает возможным достижение импульсной площади лазерных импульсов до π с высокой точностью для всех атомов рабочего объема среды, что позволяет уменьшать оптические шумы на порядки до необходимого минимального уровня. The possibility of using a transverse geometry gives additional advantages to an optically thin medium in the use of its coherent control by rephasing laser pulses propagating in a transverse geometry towards the direction of propagation of the light field in the resonator mode. Due to a significant decrease in the optical density of atoms, the change in the parameters of the controlling laser pulses (their intensity, temporal shape, and phase) also becomes negligible. The smallness of the change in the parameters of the light field due to their insignificant absorption in the medium makes it possible to achieve the impulse area of laser pulses up to π with high accuracy for all atoms of the working volume of the medium, which makes it possible to reduce optical noise by orders of magnitude to the required minimum level.

Реализация каждой из схем оптической квантовой памяти подразумевает приготовление начального квантового состояния атомов. Использование оптически тонкой среды и оптического резонатора облегчает приготовление нужного начального квантового состояния, так как снижает требования к интенсивности используемых при этом лазерных полей. Как показало аналитическое и численное исследование динамики атомов, возбуждаемых чирпированными лазерными импульсами приводит к появлению избыточного возбуждения атомов на красном и синем участках спектра атомов внутри неоднородно уширенного контура линии (изображено на Фиг. 3). Этот эффект имеет место в случае, когда спектральная ширина атомной линии значительно превосходит спектральную ширину возбуждающих лазерных импульсов, имеющих ограниченную интенсивность, что типично для эксперимента. Если спектральные линии этих атомов внутрь ширины линии моды резонаторы, то фотоны, спонтанно излучаемые этими атомами будут вызывать оптические шумы в сигнале эха. Для подавления этого эффекта предлагается предварительное приготовление атомного ансамбля с частотами оптического перехода, внутри заданного спектрального интервала δω, находящегося между красным и синим участками спектра атомов (изображено на Фиг. 3) c выведением атомов из боковых пиков на долгоживущие нижние атомные уровни. The implementation of each of the optical quantum memory schemes implies the preparation of the initial quantum state of atoms. The use of an optically thin medium and an optical resonator facilitates the preparation of the desired initial quantum state, since it reduces the requirements for the intensity of the laser fields used in this case. As shown by the analytical and numerical study of the dynamics of atoms excited by chirped laser pulses, it leads to the appearance of excess excitation of atoms in the red and blue parts of the atomic spectrum inside the inhomogeneously broadened line contour (shown in Fig. 3). This effect takes place when the spectral width of the atomic line is much greater than the spectral width of the excitation laser pulses, which have a limited intensity, which is typical for the experiment. If the spectral lines of these atoms are inside the mode line width of the resonators, then the photons spontaneously emitted by these atoms will cause optical noise in the echo signal. To suppress this effect, it is proposed to preliminarily prepare an atomic ensemble with optical transition frequencies within a given spectral range δω located between the red and blue parts of the atomic spectrum (shown in Fig. 3) with the removal of atoms from side peaks to long-lived lower atomic levels.

Приготовление такого начального состояния атомов облегчается малой оптической плотностью атомов и может быть реализовано путем перевода атомов в двух заданных участках спектра воздействие лазерного излучения настроенного на частоту данных атомов. Поскольку эта лазерная накачки не затрагивает основные атомы, участвующие в квантовые памяти, то она может проводиться параллельно с реализацией протокола во все промежутки времени, не совпадающие с временем прилета сигнального поля и излучения сигналов эха. The preparation of such an initial state of atoms is facilitated by the low optical density of atoms and can be realized by transferring atoms in two given regions of the spectrum by the action of laser radiation tuned to the frequency of these atoms. Since this laser pumping does not affect the main atoms involved in quantum memory, it can be carried out in parallel with the implementation of the protocol at all time intervals that do not coincide with the time of arrival of the signal field and the emission of echo signals.

Первый контролирующий рефокусирующий лазерный импульс (см. Фиг. 2) инвертирует населенность атомов в определенном спектральном диапазоне, на Фиг. 3 это диапазон от -300 до 300 кГц (оранжевая штриховая линия на Фиг. 3). Синей штрих-пунктирной линией на Фиг. 3 показан спектр рефазирующего импульса. Второй рефокусирующий импульс вновь инвертирует населенность, приводя к тому, что внутри рабочего спектрального диапазона инверсия атомной населенности становится равна нулю, но при этом на краях спектра появляются области паразитной инверсии (зеленая сплошная кривая на Фиг. 3), обусловленные конечным временем фронта возбуждающего импульса. На Фиг. 3 это соответствует двум диапазонам частот - от -600 кГц до -300 кГц и от 300 кГц до 600 кГц. При этом, согласно расчетам, количество возбужденных атомов в этих двух спектральных диапазонах более чем в 80 раз превосходит количество возбужденных атомов в рабочем диапазоне от -300 кГц до 300 кГц. The first control refocusing laser pulse (see Fig. 2) inverts the population of atoms in a certain spectral range, in Fig. 3 is the range from -300 to 300 kHz (orange dashed line in Fig. 3). The blue dotted line in Fig. 3 shows the spectrum of the rephasing pulse. The second refocusing pulse again inverts the population, causing the atomic population inversion to become zero within the working spectral range, but at the same time, regions of spurious inversion appear at the edges of the spectrum (green solid curve in Fig. 3), due to the finite time of the front of the exciting pulse. On FIG. 3, this corresponds to two frequency ranges - from -600 kHz to -300 kHz and from 300 kHz to 600 kHz. In this case, according to calculations, the number of excited atoms in these two spectral ranges exceeds the number of excited atoms in the operating range from -300 kHz to 300 kHz by more than 80 times.

Приведенные на Фиг. 3 результаты частотного поведения атомной инверсии после действия двух лазерных импульсов показывают, что при помощи подготовки начального состояния, заключающегося в том, чтобы перевести атомы, находящиеся на краях диапазона инверсии на долгоживущие подуровни и исключить тем самым их из участия в протоколе квантовой памяти, уровень оптических квантовых шумов, вызываемых спонтанными переходами атомов в основное состояние, может быть снижен в десятки раз (в 80 раз для расчетов, приведенных на Фиг. 3), что позволит уменьшить оптические квантовые шумы до достаточно низкого уровня, необходимого для работы с однофотонными кубитами при использовании лазерных импульсов с реальными параметрами интенсивности и частотного спектра. Shown in FIG. 3, the results of the frequency behavior of the atomic inversion after the action of two laser pulses show that by preparing the initial state, which consists in transferring atoms located at the edges of the inversion range to long-lived sublevels and thereby excluding them from participation in the quantum memory protocol, the level of optical quantum noise caused by spontaneous transitions of atoms to the ground state can be reduced by dozens of times (80 times for the calculations shown in Fig. 3), which will reduce the optical quantum noise to a sufficiently low level required to work with single-photon qubits when using laser pulses with real parameters of intensity and frequency spectrum.

Для дополнительного подавления оптических шумов, вызываемых спонтанным излучением фотонов атомами образца, возбуждаемыми интенсивными лазерными импульсами на промежуточной стадии эволюции атомной когерентности, предлагается динамически изменять резонансную частоту оптического резонатора и/или уменьшать его добротность после влета сигнального фотонного кубита в резонатор и его поглощения атомами до момента времени излучения сигнала эха. При этом в промежутке между действием рефазирующих лазерных импульсов будет сильно подавляться резонансное взаимодействие возбужденных атомов с пустой модой резонатора. При изменения частоты резонатора (или его добротности) возбужденные рефазирующими лазерными импульсами атомы оптически тонкой среды будут излучать спонтанно фотоны, вызывающие оптические шумы, в моду резонатора с числом фотонов пропорционально общему числу возбужденных атомов с интенсивностью излучения шумовых фотонов аналогичной свободному пространству и может быть даже слабее за счет проявления эффекта ингибировании, когда спонтанное излучение фотонов ослабляется на частотах, не совпадающих с частотами высокодобротных резонаторов в соответствии с эффектом Парсела (Purcell E. M.. Phys. Rev. V. 69, 37 (1946))To additionally suppress optical noise caused by spontaneous emission of photons by sample atoms excited by intense laser pulses at an intermediate stage in the evolution of atomic coherence, it is proposed to dynamically change the resonant frequency of the optical resonator and/or reduce its quality factor after the signal photon qubit enters the resonator and is absorbed by atoms up to the moment echo signal emission time. In this case, in the interval between the action of rephasing laser pulses, the resonant interaction of excited atoms with the empty cavity mode will be strongly suppressed. When the frequency of the resonator (or its quality factor) is changed, the atoms of an optically thin medium excited by rephasing laser pulses will spontaneously emit photons that cause optical noise into the resonator mode with the number of photons proportional to the total number of excited atoms with the emission intensity of noise photons similar to free space and can be even weaker due to the manifestation of the inhibition effect, when the spontaneous emission of photons is attenuated at frequencies that do not coincide with the frequencies of high-quality resonators in accordance with the Purcell effect (Purcell EM. Phys. Rev. V. 69, 37 (1946))

Ослабление в спонтанном распаде атомов в отстроенном по частоте резонаторе, или в резонаторе с пониженной добротностью может быть особенно значительно при использовании атомов с долгоживущим атомным переходом, как это имеет место для редкоземельных ионов в неорганических кристаллах (W. Tittel, M. Afzelius, T. Chaneli'ere, R. Cone, S. Kroll, S. Moiseev, and M. Sellars, Photon-echo quantum memory in solid state systems, Laser & Photonics Reviews 4, 244 (2010); R. M. Macfarlane, High-resolution laser spectroscopy of rare-earth doped insulators: a personal perspective,Journal of Luminescence 100, 1 (2002); N. Kunkel and P. Goldner, Recent advances in rare earth doped inorganic crystalline materials for quantum information processing, Zeitschrift fur anorganische und all-gemeine Chemie 644, 66 (2017)), что в целом на несколько порядков снизит уровень оптических шумов с ростом добротности резонатора. Attenuation in the spontaneous decay of atoms in a frequency-detuned or Q-reduced resonator can be especially significant when using atoms with a long-lived atomic transition, as is the case for rare earth ions in inorganic crystals (W. Tittel, M. Afzelius, T. Chaneli'ere, R. Cone, S. Kroll, S. Moiseev, and M. Sellars, Photon-echo quantum memory in solid state systems, Laser & Photonics Reviews 4, 244 (2010) RM Macfarlane, High-resolution laser spectroscopy of rare-earth doped insulators: a personal perspective, Journal of Luminescence 100, 1 (2002) N. Kunkel and P. Goldner, Recent advances in rare earth doped inorganic crystalline materials for quantum information processing, Zeitschrift fur anorganische und all-gemeine Chemie 644, 66 (2017)), which in general will reduce the level of optical noise by several orders of magnitude with an increase in the quality factor of the resonator.

Таким образом предлагается комплексное использование методов когерентного контроля атомов при реализации протокола квантовой памяти в оптимальном резонаторе, в условиях согласованных импедансов полной загрузке электромагнитного волнового пакета однофотонного импульса, которые обеспечивают высокий квантовую эффективность и точность работы квантовой памяти при низком уровне оптических квантовых шумов, что делает возможным использование данного протокола для работы с однофотонными световыми полями. Thus, it is proposed to use the methods of coherent control of atoms in the implementation of the quantum memory protocol in the optimal resonator, under the conditions of matched impedances, to fully load the electromagnetic wave packet of a single-photon pulse, which provide high quantum efficiency and accuracy of quantum memory operation at a low level of optical quantum noise, which makes it possible using this protocol to work with single-photon light fields.

Источник фотонных кубитов 1 состоит из источника одиночных фотонов, у которых можно задать определенное квантовое состояние. В качестве источника одиночных фотонов могут быть использованы квантовые точки, нелинейные кристаллы и микроструктурированные волокна для параметрической генерации фотонов. Для того, чтобы одиночный фотон превратился в фотонный кубит необходимо закодировать в него квантовую информацию. Это может быть осуществлено с использованием различных степеней свободы фотона, таких как поляризация, частота, пространственные или временные моды, орбитальный угловой момент, фаза. Также в качестве одиночных фотонов можно использовать лазерное излучение, ослабленное до среднего числа фотонов порядка 0.1-0.2 в импульсе. В качестве ячейки квантовой памяти 2 могут выступать разные среды, такие как холодный и теплый атомный газ, одиночные атомы в высокодобротном резонаторе, квантовые точки, точечные деффекты в алмазах, кристаллы, активированные редкоземельными ионами (Tm³⁺:Y₃Al₅O₁₂, Tm³⁺:Y₃Ga₅O₁₂, Eu³⁺:Y₂SiO₅, Er³⁺:Y₂SiO₅, Pr³⁺:Y₂SiO₅, Nd³⁺:Y₂SiO₅, Tm³⁺:LiNbO₃, Er³⁺:LiNbO₃). В рассматриваемом случае в качестве ячейки квантовой памяти выступает кристалл, активированный редкоземельными ионами, помещенный в оптический резонатор Фабри-Перо. Сам оптический резонатор может быть как внешним, то есть состоять из двух отдельных зеркал вне кристалла, либо из нанесенных диэлектрических отражающих покрытий на грани кристалла, либо может быть изготовлен на поверхности кристалла (фотонно-кристаллический тип). При этом для разных резонаторов реализация контроллера частоты резонатора 4 будет разной. Например, для внешнего резонатора, одно из зеркал может быть установлено на пьезоэлемент и контролируя напряжение на пьезоэлементе можно менять длину резонатора, следовательно его частоту. Также можно поместить нелинейный кристалл (например LiNbO₃) внутрь резонатора вместе с рабочим кристаллом и изменять коэффициент преломления внутри резонатора, таким образом также можно менять частоту резонатора. Последний способ также применим в случае использования резонатора, где отражающие покрытия нанесены на грани кристалла. В этом случае, до напыления отражающих покрытий на кристалл, необходимо срастить рабочий кристалл, активированный редкоземельными ионами, с нелинейным кристаллом и затем нанести отражающие покрытия на изготовленную систему, состоящую из двух кристаллов. В случае использования фотонно-кристаллического резонатора можно использовать эффект Штарка или изготовить фотонно- кристаллический резонатор, на нелинейном кристалле, который легирован редкоземельным ионом (например с помощью ионной имплантации).The source of photonic qubits 1 consists of a source of single photons, which can be set to a certain quantum state. Quantum dots, nonlinear crystals, and microstructured fibers can be used as a source of single photons for parametric generation of photons. In order for a single photon to turn into a photon qubit, it is necessary to encode quantum information into it. This can be done using different degrees of freedom of the photon, such as polarization, frequency, spatial or temporal modes, orbital angular momentum, phase. It is also possible to use laser radiation attenuated to an average number of photons of the order of 0.1–0.2 per pulse as single photons. Various media can serve as a quantum memory cell 2, such as cold and warm atomic gas, single atoms in a high-Q resonator, quantum dots, point defects in diamonds, crystals activated by rare earth ions (Tm ³⁺ : Y ₃ Al ₅ O ₁₂ , Tm ³⁺ :Y ₃ Ga ₅ O ₁₂ , Eu ³⁺ :Y ₂ SiO ₅ , Er ³⁺ :Y ₂ SiO ₅ , Pr ³⁺ :Y ₂ SiO ₅ , Nd ³⁺ :Y ₂ SiO ₅ , Tm ³⁺ :LiNbO ₃ , Er ³⁺ :LiNbO ₃ ). In the case under consideration, the crystal activated by rare-earth ions, placed in an optical Fabry-Perot resonator, acts as a quantum memory cell. The optical resonator itself can be either external, that is, it can consist of two separate mirrors outside the crystal, or from applied dielectric reflective coatings on the face of the crystal, or it can be made on the surface of the crystal (photonic crystal type). In this case, for different resonators, the implementation of the resonator frequency controller 4 will be different. For example, for an external resonator, one of the mirrors can be installed on a piezoelectric element and by controlling the voltage on the piezoelectric element, you can change the length of the resonator, hence its frequency. It is also possible to place a non-linear crystal (eg LiNbO ₃ ) inside the resonator along with the working crystal and change the refractive index inside the resonator, thus also changing the frequency of the resonator. The latter method is also applicable in the case of using a resonator, where reflective coatings are deposited on the crystal faces. In this case, prior to deposition of reflective coatings on a crystal, it is necessary to splice a working crystal activated with rare earth ions with a nonlinear crystal and then apply reflective coatings to the fabricated system consisting of two crystals. In the case of using a photonic crystal resonator, one can use the Stark effect or fabricate a photonic crystal resonator based on a nonlinear crystal doped with a rare earth ion (for example, using ion implantation).

В качестве рефазирующих импульсов 3 могут быть использованы лазерные импульсы. Такие импульсы можно сформировать из непрерывного узкополосного лазерного излучения (например, кольцевой лазер на красителе или на кристалле титан сапфира, диодный лазер) с помощью акустооптического модулятора. В этом случае можно формировать импульсы с заданной амплитудной и частотной модуляцией (например с помощью генератора сигналов произвольной формы, сигнал с которого через усилитель направляется на акустооптический модулятор), спектр которых согласуется с рабочей частотной полосой ячейки памяти и источника фотонных кубитов. Laser pulses can be used as rephasing pulses 3. Such pulses can be formed from continuous narrow-band laser radiation (for example, a ring laser on a dye or on a titanium-sapphire crystal, a diode laser) using an acousto-optic modulator. In this case, it is possible to form pulses with a given amplitude and frequency modulation (for example, using an arbitrary waveform generator, the signal from which is sent through an amplifier to an acousto-optic modulator), the spectrum of which is consistent with the operating frequency band of the memory cell and the source of photonic qubits.

Канал детектирования 6 представляет собой оптическую схему для пространственной и спектральной фильтрации и проведения бэлловсикх измерений в зависимости от используемых фотонных кубитов (например, интерферометр Маха-Цендера с фазовой задержкой в одном из плеч для фотонных кубитов с кодировкой по фазе или поляризационные светоделители при использовании поляризационных фотонных кубитов).The detection channel 6 is an optical circuit for spatial and spectral filtering and performing Bellows measurements depending on the photonic qubits used (for example, a Mach-Zehnder interferometer with a phase delay in one of the arms for phase-coded photonic qubits or polarization beam splitters when using polarizing photonic qubits). qubits).

В качестве блока детектирования 7 могут быть использованы модули счета одиночных фотонов, сигнал с которых далее поступает на временно-цифровой преобразователь или схему совпадений, результат которых выводится через пользовательский интерфейс 8 . As a detection unit 7, modules for counting single photons can be used, the signal from which is then fed to a time-to-digital converter or a coincidence circuit, the result of which is displayed through the user interface 8 .

Выполнение протокола контролируется пользовательским интерфейсом 8, используя блок синхронизации 5, который управляет работой блоков 1, 3, 6, 7. В качестве блока синхронизации может быть использован многоканальный генератор импульсов задержек. Стоит отметить, что блок синхронизации 5 и пользовательский интерфейс 8 могут быть объединены в одно устройство - программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС).The execution of the protocol is controlled by the user interface 8, using the synchronization block 5, which controls the operation of blocks 1, 3, 6, 7. A multichannel delay pulse generator can be used as a synchronization block. It is worth noting that the synchronization unit 5 and the user interface 8 can be combined into one device - a programmable logic integrated circuit (FPGA).

Claims

1. A method for suppressing quantum noise in optical quantum memory based on the suppressed photon echo recovery protocol, which consists in the use of two rephasing control π-pulses, characterized in that a working substance with a low optical density is used, placed in an optical cavity and controlled by intense laser beams, propagating parallel at an angle to the axis of the resonator in transverse geometry to the propagation of signal radiation, a change in the Q frequency of the optical resonator in a time interval that includes the action of two control laser pulses is used, the procedure for preparing the absorption spectrum of the working substance of quantum memory is used, in which atoms that do not fall into operating range of quantum memory corresponding to the spectrum of the signal pulse.

2. A method for suppressing quantum noise in optical quantum memory based on the suppressed photon echo recovery protocol, characterized in that the quality factor of the optical resonator is lowered in the time interval that includes the action of two control laser pulses, the procedure for preparing the absorption spectrum of the quantum memory working substance is used, in which atoms that do not fall within the operating range of quantum memory corresponding to the spectrum of the signal pulse are removed, a substance with a low optical density is used in an optical cavity with a transverse propagation geometry of a weak (single-photon) signal and intense control beams.