[論文レビュー] Conditionally generating a mesoscopic superposition of N00N states

Falk Töppel, Maria V. Chekhova+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、50/50分光ビームスプリッタで光子を除去したスリッピング真空状態とコherent状態を干渉させることにより、現在の光子技術で実現可能な条件付き手法を提案し、平均光子数が数十に達する中間スケールのN00N状態の重ね合わせを生成する。生成された状態は強い量子相関を示し、顕著な損失に対しても局所実在性を破るため、オプトメカニクスや量子メモリ結合などのマクロな量子応用に有望である。

ABSTRACT

We study the generation of superpositions of N00N states by overlapping few-photon-subtracted squeezed vacuum states and coherent states on a 50/50 beam splitter. Assuming parameters that are feasible with current technology results in output states with mean photon numbers of several tens. We show that the generated quantum states violate local realism even in the presence of considerable loss. The occurrence of strong quantum correlations for mesoscopic quantum states of light is particularly beneficial for coupling light and matter quantum systems.

研究の動機と目的

• 現在の光子技術を用いて、実現可能な条件付き手法により、中間スケールのN00N状態の重ね合わせを生成すること。
• このような生成された状態が、現実的な実験的不完全性に対しても強い量子相関を示し、局所実在性を破ることを示すこと。
• 高い光子数を有するマクロなエンタングルド光子状態を生成することで、量子技術における効率的な光-物質相互作用を可能にすること。
• 検出効率の低下、位相エラー、伝送損失の下での生成状態の頑健性を調査すること。

提案手法

• 本手法は、光子を除去したスリッピング真空状態とコherent状態を50/50分光ビームスプリッタで干渉させ、条件付き出力状態を生成する。
• 光子の除去は光子数分解検出器（PNRD）を用いて実装され、m個の光子が検出された際に望ましい出力状態がハーディングされる。
• 出力状態は、N00Nに類似た成分の重ね合わせとして記述され、確率振幅分布は中間スケールのフォック状態の重ね合わせを近似する。
• 理論的分析では、損失および検出非効率性の下での非古典的性質とベル不等式の破れを評価するために、ウィグナー関数とQ関数が用いられる。
• 出力モードにおける伝送損失は、透過率τ′を有する仮想的ビームスプリッタを用いてモデル化され、ハーディングプロセスにおける有限の検出効率ηも考慮される。
• 状態の非古典的性質は、さまざまな損失および位相条件の下で出力状態のQ関数を用いてベル不等式の破れを計算することで定量化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 線形光学と光子除去のみを用いて、中間スケールのN00N状態の重ね合わせを条件付きで生成できるか？
• RQ2 現実的な損失および検出非効率性のレベル下で、生成された状態がどれほど局所実在性を破るか？
• RQ3 コherent状態入力における位相エラーに対して、状態生成はどれほど感受的か？
• RQ4 出力モードにおける伝送損失の下で、N00Nに類似た光子数分布はどれほど頑健か？
• RQ5 この手法を、マクロな量子応用に適した高い平均光子数を持つ状態の生成に拡張できるか？

主な発見

• 平均光子数が数十に達する場合でさえ、あるモードに大きな光子数が集中する2つの顕著なN00Nに類似た「翼」を持つ光子数分布を示す。
• 30%の検出効率と10%の伝送損失を含む現実的な条件下でも、ベル不等式が破られ、強い非古典的性質が確認される。
• コherent状態とスリッピング真空の間の相対位相がπ/8からπ/4の範囲で広く変動しても、ベル不等式の破れが維持され、位相耐性が示される。
• 出力モードにおける伝送損失が顕著であっても（透過率τ′が0.5まで低下しても）、光子数分布におけるN00Nに類似た構造が保持される。
• 複数モードの入力状態や位相エラーといった実験的不完全性に対しても、N00Nに類似た特徴はわずかに劣化するにとどまり、手法の有効性は保たれる。
• コherent状態の位相が非理想であっても、ベル不等式の破れは広い位相窓内にわたり生存し、状態の非古典的性質が維持される。