[論文レビュー] Deterministic quantum entanglement between macroscopic ferrite samples

Jayakrishnan M. P. Nair, G. S. Agarwal|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 63被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、フラックス駆動型ジョセフソンパラメトリックアンプ（JPA）から供給される弱いスクリーチド真空場によって駆動されるキャビティ＝マグノン系を用いて、ヤルニウム鉄 garnet（YIG）フェリット試料2つ間でマクロな量子もつれを決定的かつ生成する手法を提案する。強力な非線形性を必要とせず、顕著なもつれを達成する。固体系におけるマクロな量子状態を実現するための強固でスケーラブルな道筋を提供する。

ABSTRACT

We show how to generate an entangled pair of yttrium iron garnet (YIG) samples in a cavity-magnon system without using any nonlinearities which are typically very weak. This is against the conventional wisdom which necessarily requires strong Kerr like nonlinearity. Our key idea, which leads to entanglement, is to drive the cavity by a weak squeezed vacuum field generated by a flux-driven Josephson parametric amplifier (JPA). The two YIG samples interact via the cavity. For modest values of the squeezing of the pump, we obtain significant entanglement. This is the principal feature of our scheme. We discuss entanglement between macroscopic spheres using several different quantitative criteria. We show the optimal parameter regimes for obtaining entanglement which is robust against temperature. We also discuss squeezing of the collective magnon variables.

研究の動機と目的

• 固体系におけるマクロな量子もつれを生成するにあたり、従来の強力なKerr型非線形性に依存するのを克服すること。
• 強力な非線形性を一切用いずに、スクリーチド真空ポンプと弱い非線形性のみを用いて、2つのマクロなYIG試料間の決定的もつれを実現すること。
• 熱雑音やデコherenceに対してももつれが安定するパラメータ領域を同定すること。
• 集団モードのマグノンのスクリーチングを、系内の非古典的相関の兆候として探ること。

提案手法

• 2つのYIG球体が共通のマイクロ波キャビティモードを介して結合するキャビティ＝マグノン系を用いる。
• キャビティをフラックス駆動型ジョセフソンパラメトリックアンプ（JPA）によって生成される弱いスクリーチド真空場で駆動する。
• スクリーチド真空の量子相関を介して、2つのマクロなYIG試料間のもつれを媒介する。
• マグノン＝キャビティ結合とスクリーチドポンプの効果を記述する線形化ハミルトニアンを用いてシステムをモデル化する。
• 対数的負性やDuanの基準などの複数のもつれ基準を適用して、もつれの定量的評価と検証を行う。
• 有限温度条件下でのもつれを評価することで、熱雑音に対するシステムの耐性を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力な非線形性に依存せずに、2つのYIG試料間でマクロな量子もつれを生成できるか？
• RQ2 YIG＝キャビティ系で顕著なもつれを達成するために、ポンプ場にどの程度のスクリーチングが必要か？
• RQ3 熱雑音は生成されたもつれにどのように影響を及ぼすか？また、もつれの安定性を保証するパラメータ領域は何か？
• RQ4 YIG試料の集団モードのマグノンがスクリーチングされるか？これは非古典的挙動の兆候である。
• RQ5 もつれの忠実度を最大化するための最適な作動条件（例：ポンプ出力、キャビティのQ値）は何か？

主な発見

• ポンプ場のわずかなスクリーチングのみを用いても、強力な非線形性を必要とせず、2つのマクロなYIG試料間に顕著なもつれが達成された。
• このスキームは、温度が上昇した状態でももつれが安定しており、熱デコherenceに対しても耐性を示すパラメータ領域が同定された。
• 対数的負性やDuan基準といった複数の定量的もつれ基準により、非古典的相関の存在が確認された。
• YIG試料の集団モードのマグノンは測定可能なスクリーチングを示しており、系が非古典的状態を生成可能であることを示している。
• この手法は決定的かつスケーラブルであり、JPAによるスクリーチド源とキャビティ内に配置されたYIG球体といった、既存の技術的要素に依存している。
• 理論的分析により、広範な実験的パラメータ範囲でもつれが維持可能であることが示され、実験的実現可能性が向上した。