[論文レビュー] Entangled steady-states of two atoms in an optical cavity by engineered decay

Florentin Reiter, Michael J. Kastoryano+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2011

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光キャビティ内の2原子の最大もつれ状態を、設計された崩壊過程を用いて安定状態として実現する散逸的プロトコルを提案する。有効演算子形式を用いてキャビティ光子の損失と原子の自発的放出を活用することで、系は一意の固定点としてもつれ状態に収束し、解析的最適化により、現在および将来のキャビティQEDシステムにおいて高い保証度と高速収束性を達成する。

ABSTRACT

We propose various schemes for the dissipative preparation of a maximally entangled steady state of two atoms in an optical cavity. Harnessing the natural decay processes of cavity photon loss and spontaneous emission, we use an effective operator formalism to identify and engineer effective decay processes, which reach an entangled steady state of two atoms as the unique fixed point of the dissipative time evolution. We investigate various aspects that are crucial for the experimental implementation of our schemes in present-day and future cavity quantum electrodynamics systems and analytically derive the optimal parameters, the error scaling and the speed of convergence of our protocols. Our study shows promising performance of our schemes for existing cavity experiments and favorable scaling of fidelity and speed with respect to the cavity parameters.

研究の動機と目的

• 光キャビティ内での2原子の最大もつれ状態を、一意の安定状態として準備する散逸的プロトコルを開発すること。
• 自然な散逸チャネル（光子損失および自発的放出）を用いて、有効な崩壊過程を同定および設計すること。
• 既存および将来のキャビティQEDプラットフォームにおける実験的実現可能性の分析を通じて、耐障害性およびスケーラビリティを確保すること。
• 提案されたプロトコルの最適パラメータ、誤差スケーリング、収束速度を解析的に導出すること。
• キャビティパラメータ（特に減衰率や結合強度）に対して、保証度および速度の良好なスケーリングを示すこと。

提案手法

• 自然な崩壊過程からの非ユニタリーダイナミクスをモデル化・設計するため、有効演算子形式を用いる。
• 系が最大もつれ2原子状態を一意の固定点として収束するように、設計された崩壊チャネルを設計する。
• キャビティ光子損失と原子の自発的放出を主な散逸源として用い、もつれの生成に再利用する。
• エンジニアリングされた散逸下での開いた量子系ダイナミクスを記述するため、マスター方程式形式を適用する。
• 保証度と収束速度を最大化するため、システムパラメータ（例えば、結合強度、周波数オフセット）を最適化する。
• 誤差スケーリングと収束速度の解析的分析により、耐障害性および性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティQEDにおける自然な崩壊過程を、最大もつれ2原子安定状態を生成するために再利用可能か？
• RQ2 もつれ状態がダイナミクスの一意の固定点となるように、どのような有効な崩壊過程を設計する必要があるか？
• RQ3 保証度および収束速度が、減衰率や結合強度などのキャビティパラメータに対してどのようにスケーリングするか？
• RQ4 現実的な実験的状況において、誤差を最小限に抑え、性能を最大化する最適なシステムパラメータは何か？
• RQ5 理想条件からの逸脱に対して、プロトコルはどれほど耐障害性があり、誤差スケーリングの挙動はいかなるものか？

主な発見

• 提案されたスキームは、設計された散逸を用いることで、最大もつれ2原子状態を一意の安定状態として達成し、初期状態の準備に対する耐障害性を保証する。
• 解析的最適化により、キャビティ減衰率および結合強度の増加に伴い、保証度および収束速度の良好なスケーリングが明らかになった。
• 誤差スケーリングが解析的に導出され、理想パラメータからのずれは、システムパラメータの精密な調整によって制御可能であることが示された。
• 実験的制約と達成可能な性能の分析を通じて、現在のキャビティQEDプラットフォームでも実現可能であることが示された。
• 有効演算子形式は、外部制御場を必要とせずに、系を所望のもつれ状態に導く崩壊過程を的確に同定および実装できた。
• エンジニアリングされた崩壊チャネルの最適化により、安定状態への収束速度が向上し、近い将来の量子情報応用に適したプロトコルとなった。