[論文レビュー] Controllable double quantum state transfers by one topological channel in a frequency-modulated optomechanical array

Lu Qi, Shutian Liu+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2019

Mechanical and Optical Resonators参考文献 30被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、周波数変調された光機械的アレイを提案し、その系をSu-Schrieffer-Heeger (SSH) トポロジカルモデルにマッピングすることで、1つのトポロジカルエッジチャネルを介して光子状態と音響状態の間で制御可能なスイッチングが可能となる。次近接相互作用（NNN） hopping 強度を調整することにより、左・右のエッジモード間での光子状態転送と、内部モード間での音響状態転送の間を切り替えることができ、両方の状態転送において高い忠実度が達成される。

ABSTRACT

We propose a scheme to achieve the quantum state transfer via the topological protected edge channel based on a one dimensional frequency-modulated optomechanical array. We find that the optomechanical array can be mapped into a Su-Schrieffer-Heeger model after eliminating the counter rotating wave terms via frequency modulations. By dint of the edge channel of the Su-Schrieffer-Heeger model, we show that the quantum state transfer between the photonic left edge state and the photonic right edge state can be achieved with a high fidelity. Specially, our scheme can also achieve another phononic quantum state transfer based on the same channel via controlling the next-nearest-neighboring interactions between the cavity fields, which is different from the previous investigations only achieving one kind of quantum state transfer. Our scheme provides a novel path to switch two different kinds of quantum state transfers in a controllable way.

研究の動機と目的

• 1次元光機械的アレイにおいて、強固でトポロジカルに保護された量子状態転送を実現すること。
• 1つのトポロジカルチャネルを用いて、光子状態転送と音響状態転送という2種類の異なる量子状態転送を切り替え可能にすること。
• 次近接相互作用（NNN） hopping がトポロジカルエッジ状態の再構成に与える役割を調査し、二重状態転送機能の実現に寄与する仕組みを明らかにすること。
• 周波数変調と制御可能な NNN 相互作用の下で、高い忠実度の状態転送が達成されるかを実証すること。

提案手法

• 光機械的アレイを周波数変調することで、系を有効な Su-Schrieffer-Heeger (SSH) モデルにマッピングし、トポロジカル保護を実現する。
• 系のハミルトニアンには、キャビティ場の駆動、光機械的結合、NNN hopping を介した直接的なキャビティ-キャビティ結合、および時間依存の周波数変調が含まれる。
• 周波数変調により反回転項を除去し、保護されたゼロエネルギーのエッジモードを持つトポロジカル SSH ハミルトニアンで記述可能となる。
• NNN hopping 強度を調整することで、トポロジカルエッジ状態の局在化を制御し、光子状態転送チャネルと音響状態転送チャネルの切り替えを実現する。
• 数値シミュレーションを用いて、NNN hopping と駆動レートの変動に対する状態転送の忠実度とダイナミクスを評価する。
• 奇数番目または偶数番目のサイトに NNN hopping を適用する異なる設定を検討し、二重状態転送機構のロバストネスと制御可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 周波数変調された光機械的アレイにおける1つのトポロジカルエッジチャネルが、2種類の異なる量子状態転送（光子状態と音響状態）を同時にサポートできるか？
• RQ2 次近接相互作用（NNN） hopping 強度が、トポロジカルエッジ状態の局在化と性質に与える影響は何か？
• RQ3 NNN hopping を調整することで、光子状態転送と音響状態転送を制御可能に切り替えられるか？
• RQ4 周波数変調と変化する NNN キャピタリティの下で、状態転送の忠実度はどの程度か？
• RQ5 NNN hopping の配置（奇数サイト対比偶数サイト）が、二重状態転送に用いるトポロジカルチャネルのロバストネスに影響を与えるか？

主な発見

• 周波数変調された光機械的アレイは、効果的に Su-Schrieffer-Heeger (SSH) モデルにマッピングされ、トポロジカルに保護されたゼロエネルギーのエッジモードを支持する。
• NNN hopping がゼロに近い場合、左・右の光子エッジ状態間で高忠実度の光子状態転送が可能となり、小さな駆動レートでは忠実度が1に近づく。
• NNN hopping 強度が閾値（例：T = 6）を超えると、エッジ状態が内部サイトに局在化し、内部音響モード間で高忠実度の音響状態転送が可能になる。
• 同じトポロジカルチャネルを用いて二重状態転送が実現可能である：T が小さい場合に光子転送、T が大きい場合に音響転送が可能で、Ω = 0.00001 および T = 6 の条件下で忠実度 > 0.99 を達成する。
• NNN hopping を偶数番目のサイトに適用しても、トポロジカルチャネルはロバストであり、光子転送チャネルが保たれ、T の調整による制御可能なスイッチングが可能である。
• 時間的に NNN hopping 強度を変調することで、状態転送タイプの動的スイッチングが可能であり、再構成可能な量子チャネル制御が実証された。