[論文レビュー] Generation of maximally entangled states of two cavity modes

Farhan Saif, Mahmoud Abdel‐Aty+3 more|ArXiv.org|May 20, 2006

Quantum Information and Cryptography被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、Rydberg状態でスイッチングされた三準位原子を用いたキャビティ量子電磁力学の方式を提案し、二つのキャビティモード間で最大にエンタングルされたベル状態を生成する。原子とキャビティ場の相互作用時間を制御することで（ラビ振動およびストarkシフトを用い）、ユニバーサルな量子ロジックゲート、特に制御NOTゲートとアダマールゲートを実装し、単純な初期状態からベル基底の完全な準備が可能となる。

ABSTRACT

In this letter we present a scheme for generating maximally entangled states of two cavity modes which enables us to generate complete set of Bell basis states having rather simple initial state preparation. Furthermore, we study the interaction of a two-level atom with two modes of electromagnetic field in a high Q cavity. The two-level atom acts as a control qubit and the two mode electromagnetic field serves as a target qubit. This simple system of quantum electrodynamics provides us experimentally feasible universal quantum logic gates.

研究の動機と目的

• 二モードキャビティ場において、4つのベル基底状態をすべて生成する実験的に実現可能な方法を開発すること。
• 単一の二準位原子を制御キュービットとして用いて、特にCNOTゲートとアダマールゲートを実現するユニバーサルな量子ロジックゲートを実現すること。
• 最小限の初期状態の複雑さで、最大エンタングル状態を完全に準備できること。
• 高Qの超伝導キャビティ構成において、量子テレポーテーションや暗号化などの量子アルゴリズムやプロトコルを実装可能であることを示すこと。

提案手法

• 二つの励起状態と一つの基底状態を持つ三準位V型配置の原子を、二つの上位準位の重ね合わせ状態に準備する。
• 二つの直交するTEMモード（MAとMB）を有する高Qの超伝導キャビティを用い、周波数と光子減衰時間が異なる。
• ストーク場を適用して原子遷移周波数をシフトし、1つのキャビティモードとの共鳴相互作用を1回ずつ可能にする。
• 相互作用時間を奇数倍の半ラビ周期に制御することで、二つのキャビティモード間のエンタングルメントを生成する。
• ラビ振動周期（T_Rabi = 2π/Ω）を用いて条件付きダイナミクスを設計：原子が励起状態にある場合にのみ、光子がターゲットモードに転送される。
• アダマールゲートを実装するには、原子を四分の一ラビ周期だけキャビティモードと相互作用させ、原子の基底状態と励起状態の重ね合わせ状態と、場がフォック状態にある状態を生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ内に存在する単一の二準位原子を用いて、二つのキャビティモードの4つのベル状態をすべて生成できるか？
• RQ2 相互作用時間とストーク場の制御をどのように用いることで、原子と二モード場の間でユニバーサルな量子CNOTゲートを設計できるか？
• RQ3 二つのキャビティ場の最大エンタングルメントを達成するために、どの初期原子状態の準備と相互作用シーケンスが必要か？
• RQ4 本提案方式は、現在のRydberg原子およびキャビティQED技術で実験的に実現可能か？
• RQ5 この系は、多キュービット量子ゲートや量子通信プロトコルの実装に用いる基盤として機能できるか？

主な発見

• 本方式は、単一の原子と制御された相互作用時間により、二つのキャビティモードの4つのベル状態を成功裏に生成した。
• 原子がラビ周期の奇数倍の半周期にわたってキャビティと相互作用する際、二つのモードにおける真空状態と1光子状態の等確率重ね合わせが実現され、最大エンタングルメントが達成される。
• 四分の一ラビ周期の相互作用によりアダマールゲートが実現され、原子の基底状態と励起状態の重ね合わせ状態が、場がフォック状態にある状態を生成する。
• CNOTゲートは、原子を制御として用いる：原子が励起状態にある場合、ターゲットモードの位相反転または光子転送が、場の状態に応じて引き起こされる。
• 理想的な条件下では、ベル状態生成のフィデリティが100％に近づき、51RbのRydberg状態とミリ秒単位の光子寿命を用いた実験的妥当性が示された。
• 本方式は、場のスイッチングおよびキャビティモード間のエンタングルメントスイッチングを可能とし、スケーラブルな量子情報処理を支援する。