[論文レビュー] Atom-Photon Entanglement

Jürgen Volz, Weber, Markus+6 more|ArXiv.org|Nov 18, 2005

Quantum Mechanics and Applications参考文献 87被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、STIRAPを用いた新規単原子状態解析により、全トロポグラフィーを実現する、1つの捕獲された 87Rb 原子と 780 nm の1つの光子の間で高忠実度のもつれを実証した。実験では、忠実度 0.87±0.01 および可視度 0.86±0.01 を達成し、原子-光子もつれの初回の完全な特徴付けを可能にし、局所性のないベルテストおよび長距離量子ネットワークへの道筋を示した。

ABSTRACT

We report the observation of entanglement between a single trapped atom and a single photon at a wavelength suitable for low-loss communication over large distances, thereby achieving a crucial step towards long range quantum networks. To verify the entanglement we introduce a single atom state analysis. This technique is used for full state tomography of the atom-photon qubit-pair. The detection efficiency and the entanglement fidelity are high enough to allow in a next step the generation of entangled atoms at large distances, ready for a final loophole-free Bell experiment.

研究の動機と目的

• 通信に適した波長（780 nm）における1つの捕獲原子と1つの光子の間でもつれを生成・検証すること。
• 追加の状態操作を要しないまま原子量子ビット状態を測定する課題を克服し、全状態トロポグラフィーを可能にすること。
• 長距離量子ネットワークおよび将来の局所性のないベル不等式テストに適した高忠実度の原子-光子もつれを実証すること。
• 原子量子メモリと光子通信チャネルを接続するスケーラブルなプラットフォームを確立すること。

提案手法

• 磁気光学トラップ（MOT）を用い、その後の冷却により単一モードの光ドライフトラップに 87Rb 原子を捕獲する。
• 原子を $^{2}P_{3/2}, F'=0$ 状態に励起し、自発的放出によって $|m_F = \pm1\rangle$ 原子状態と $\sigma^{\pm}$-偏光光子の重ね合わせ状態に遷移する。
• 量子化軸に沿って放射された光子は単一モードファイバーで収集され、偏光を分析して光子量子ビットを測定する。
• 原子量子ビットの状態解析に、追加の状態操作を要しないスティムレートド・ラマン断続的通過（STIRAP）技術を用いる。
• STIRAPに基づく検出を用いて、原子-光子もつれ状態ペアの全量子状態トロポグラフィーを実施し、密度行列の再構成を可能にする。
• 実験的相関から可視度および忠実度を定量化することで、もつれの検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 780 nm で、新規状態解析技術を用いて、1つの捕獲原子と1つの光子の間で高忠実度のもつれを生成・検証できるか？
• RQ2 Λ型配置における1原子からの自発的放出が、量子力学が予測するように、コherentな重ね合わせ状態を生成するか？
• RQ3 高い検出効率と最小限の状態準備誤差で、原子-光子系の全状態トロポグラフィーを達成できるか？
• RQ4 観測されたもつれ忠実度は、将来のもつれスワッピングプロトコルにおける局所性のないベル不等式テストを可能にする程度の水準にあるか？
• RQ5 検出効率および可視度は十分に高く、原子メモリと光子リンクを用いたスケーラブルな長距離量子ネットワークを実現可能か？

主な発見

• 実験では、$ F = 0.87 \pm 0.01 $ の高いもつれ忠実度を達成し、原子状態と光子状態のコherentな重ね合わせが確認された。
• 原子-光子相関の平均可視度は $ V_{\text{at-ph}} = 0.86 \pm 0.01 $ と測定され、強い量子相関を示した。
• STIRAPに基づく単一原子状態解析を用いて、原子-光子量子ビットペアの全状態トロポグラフィーが成功裏に実施され、もつれ状態の直接再構成が可能になった。
• 測定のトリガー特性により、原子状態測定の検出効率は実質的に 100% に達し、すべての光子検出が結果をもたらした。
• もつれスワッピング後に予想される原子-原子もつれの可視度は $ V_{\text{at-at}} = 0.74 \pm 0.01 $ であり、CHSHベル不等式違反の閾値 0.71 を上回った。
• 12日間で約 7000 対の原子が測定された結果、観測されたパラメータを用いて3σの有意水準で局所性のないベル不等式違反が実現可能であると示された。