[論文レビュー] Entanglement between two macroscopic fields by coherent atom-mediated exchange of photons

Carlos L. Garrido Alzar, Marcelo F. Santos+1 more|ArXiv.org|May 19, 2002

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、85Rb原子系における電磁誘起透過（EIT）条件下で、共鳴原子を介した光子交換を通じて、2つのマクロな光ビーム（ポンプおよびプローブ）がもつれることを示している。2つの連続変数もつれ基準を用いて、初期状態が相関のない状態であったにもかかわらず、量子相関が生じることを示しており、強い原子共鳴により最大40％のもつれが観測された。これは、強度の高いマクロな光場を用いた実用的量子情報処理を可能にする。

ABSTRACT

Using two different criteria for continuous variable systems we demonstrated that pump and probe beams became quantum correlated in a situation of Electromagnetically Induced Transparency in a sample of Rb atoms. Our result combines two important features for practical implementations in the field of quantum information processing. Namely, we proved the existence of entanglement between two macroscopic light beams, and this entanglement is intrinsically associated to a strong coherence in an atomic medium.

研究の動機と目的

• 強度が高く、マクロな2つの光ビームが、共鳴的に準備された原子系内でもつれるかどうかを調査すること。
• 連続変数量子系とEITを組み合わせることで、スケーラブルな量子情報処理が可能かどうかを検討すること。
• 強い原子共鳴がある条件下で、環境との結合がある系においてももつれが生じるかどうかを特定すること。
• 2つの独立した連続変数もつれ基準を用いてもつれを検証し、結果の頑健性を保証すること。

提案手法

• ポンプおよびプローブの2つのコプロパゲーティングレーザー場を量子力学的に取り扱い、85Rbにおける三準位Λ型原子系をモデル化する。
• 系のハイゼンベルグ運動方程式を導出し、場演算子および原子演算子のための12つの結合された量子ランジュバン方程式を導出する。
• 定常状態周辺での量子ゆらぎを線形化し、ゆらぎのダイナミクスを記述する行列形式の線形確率微分方程式を導出する。
• 2つのもつれ基準を適用する：Duanらの基準（DGCZ）および正部分転置（PPT）基準。両基準とも四分位数分散および相関測定に基づく。
• レーザー場にローレンツスペクトルプロファイルを適用し、マコフ近似を用いてレーザー線幅および入力ノイズをモデル化する。
• 偏光ビームスプリッタ、ハモナイド検出器、局所発振器を用いた実験的セットアップを設計し、四分位数分散を測定し、もつれを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EIT媒体内において、共鳴原子を介した光子交換を通じて、2つのマクロな光ビームがもつれうるか？
• RQ2 EITにおける強い原子共鳴が、環境との結合があるにもかかわらず、強力な光場間の測定可能な量子相関を生じるか？
• RQ3 現実的で純粋でない系において、2つの独立した連続変数もつれ基準を用いてもつれを検証できるか？
• RQ4 EIT条件下におけるポンプビームとプローブビーム間で達成可能なもつれの最大度合いは何か？そして何がそれを制限するか？
• RQ5 系のバイステーブル応答は、位相四分位数のスリーピングおよび量子ノイズ相関の生成とどのように関係するか？

主な発見

• Duanらの基準（DGCZ）および正部分転置（PPT）基準の両方を用いてポンプビームとプローブビーム間のもつれが確認され、結果の頑健性が裏付けられた。
• もつれ度は約40％に達するが、これは原子系内の2つの基底状態間の共鳴の減衰率によって制限されている。
• 初期状態が相関のない状態であったとしても、EIT下で原子系を介した共鳴光子交換により、量子相関が生じる。
• バイステーブル曲線の転送点で位相四分位数のスリーピングが観測され、共役四分位数における非古典的ノイズ低減が示された。
• EIT条件は、場の量子ゆらぎに測定可能な変化を引き起こし、高強度でも場のノイズが保存されるという一般的な考えに反する。
• 統計的解析を用いて、EIT共鳴の自然幅の検出が可能となり、原子系における共鳴効果の感受性の高いプローブとしての応用が可能になった。