[論文レビュー] Computing with soliton trains in Bose-Einstein condensates

Florian Pinsker|arXiv (Cornell University)|May 17, 2013

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、単成分および多成分ボーズ・アインシュタイン凝縮（BEC）におけるソリトン列を用いた新しい光計算手法を提案する。データは、調整可能な原子相互作用を介してソリトン列の周波数に符号化される。相互作用の操作と位相工学により、ソリトン周波数を制御し、情報を記録・処理する。結果は、密度分布の特徴から読み取られる。

ABSTRACT

Optical computing devices can be implemented based on controlled generation of soliton trains in single and multicomponent Bose-Einstein condensates (BEC). Our concepts utilize the phenomenon that the frequency of soliton trains in BEC can be governed by changing interactions within the atom cloud. We use this property to store numbers in terms of those frequencies for a short time until observation. The properties of soliton trains can be changed in an intended way by other components of BEC occupying comparable states or via phase engineering. We elucidate in which sense such an additional degree of freedom can be regarded as a tool for controlled manipulation of data. Finally the outcome of any manipulation made is read out by observing the signature within the density profile.

研究の動機と目的

• ボーズ・アインシュタイン凝縮におけるソリトン列を光計算の媒体として使用する可能性を検討すること。
• 原子相互作用と位相工学が、データ符号化に向けたソリトン列周波数を制御するためにどのように利用できるかを調査すること。
• 多成分BECにおける追加の自由度が、記憶されたデータの制御的取り扱いを可能にする方法を特定すること。
• ソリトン列の密度分布の特徴に基づいた読み出しメカニズムを確立すること。
• 量子degenerateな原子系において、可逆的かつ制御可能で観測可能な方法で情報の記録と処理を実現すること。

提案手法

• BECにおけるソリトン列の周波数を、数値データを記憶するためのキャリアとして用いる。
• 外部場を用いて原子クラウド内の相互作用を調整することで、ソリトン列周波数を制御する。
• 多成分BECにおける位相工学および追加成分の存在を活用し、ソリトンダイナミクスを変調する。
• 量子デジェネレート状態にある原子の集団的挙動を活用して、ソリトン列の安定化と制御を実現する。
• 操作後の密度分布パターンを観測することで、データを読み出す。
• トラップされたBECにおけるソリトン形成と進化をモデル化するため、非線形シュレーディンガー方程式の枠組みを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BECにおけるソリトン列周波数を、計算に適した数値を符号化するために、正確に制御可能か？
• RQ2 多成分BEC状態と位相工学は、ソリトンベースのデータの操作をどのように可能にするか？
• RQ3 密度分布は、ソリトンベースの計算システムの状態を信頼性高く読み取るために果たす役割は何か？
• RQ4 BEC内での相互作用をどの程度調整可能にすれば、プログラマブルなデータ記憶と処理が実現できるか？
• RQ5 BECにおけるソリトン列ベースの情報符号化の根本的限界と安定性特性は何か？

主な発見

• 調整可能な原子相互作用を介して、BECにおけるソリトン列周波数を制御可能であり、明確な周波数としての違いを用いたデータ符号化が可能である。
• 位相工学および多成分BECにおける追加成分の存在が、ソリトンダイナミクスの制御に追加の自由度を提供する。
• 操作後のシステム状態は、密度分布の観察可能な特徴により信頼性高く読み出される。
• 量子degenerateな原子クラウドを用いて、可逆的かつ制御可能なデータ記憶と処理が可能である。
• このアプローチは、超低温量子ガスにおけるコherent物質波を用いた光計算の実現可能性を示している。
• この手法により、短時間の情報記憶がソリトン列周波数の形で実現可能であり、制御された相互作用によりさらなる処理が可能となる。