[論文レビュー] Generation of mesoscopic entangled states in a cavity coupled to an atomic ensemble

Gor Nikoghosyan, Michael Hartmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2011

Photonic and Optical Devices被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、強い結合された原子-キャビティ系を断熱的にダーク状態へと進化させることで、光子と原子励起状態のロバストなエンタングルド重ね合わせである中規模NOON状態を生成するキャビティ-QED方式を提案する。主な結果は、この方式の効率がキャビティ協調性要因に指数関数的に依存することであり、実験的に実現可能なパラメータで高光子数NOON状態の決定的生成が可能になることである。

ABSTRACT

We propose a novel scheme for the efficient production of "NOON states" based on the resonant interaction of a pair of quantized cavity modes with an ensemble of atoms. We show that in the strong-coupling regime the adiabatic evolution of the system tends to a limiting state that describes mesoscopic entanglement between photons and atoms which can easily be converted to a purely photonic or atomic NOON state. We also demonstrate the remarkable property that the efficiency of this scheme increases exponentially with the cavity cooperativity factor, which gives efficient access to high number NOON states. The experimental feasibility of the scheme is discussed and its efficiency is demonstrated numerically.

研究の動機と目的

• 量子メトロロジーおよび量子情報処理への応用を目的として、N個の光子が一方のモードに、他方のモードに0個の光子があるという重ね合わせ状態である中規模NOON状態を、ロバストかつ決定的に生成する手法を開発すること。
• 従来の線形光学に基づくNOON状態生成手法が抱える指数関数的資源スケーリングおよびデコherenceの課題を克服すること。
• 強い原子-キャビティ結合と断熱的遷移を活用して、光子と原子励起状態の間で高精度なエンタングルメントを実現すること。
• NOON状態生成の効率がキャビティ協調性要因に指数関数的に依存することを示し、中程度の実験的パラメータで大きなNの状態を生成可能であることを実証すること。

提案手法

• 高Qファイネスの光学キャビティ内に配置された六準位原子系を用い、2つのキャビティモード（aおよびb）が古典的ポンプ場を介して異なる原子遷移に結合する。
• ハミルトニアン（1）は、キャビティモードと集団的原子演算子間の共鳴的で強い結合相互作用を記述し、短命な励起状態への励起を回避するダーク状態の形成を可能にする。
• 時間依存するポンプRabi周波数Ω(t)の下での系の断熱的遷移により、初期の真空状態から、光子および原子フォック状態の重ね合わせであるダーク状態へと励起が転送される。
• ダーク状態は、Ω(t)/gの比に依存する振幅を持つ|n:⟩状態の重ね合わせとして解析的に導出され、強い結合限界では中規模にエンタングルされた状態となる。
• 原子自由度に対する最終的な射影測定により、光子-原子NOON状態を高い忠実度で純粋な光子NOON状態に変換可能である。
• 励起状態の減衰率（m+q+r）Γおよびキャビティ損失を含む、時間に依存するシュレーディンガー方程式を用いた数値シミュレーションにより、系の動的挙動をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティ結合付きの原子アンサンブルを用いることで、従来の線形光学方式よりも効率的に中規模NOON状態を生成できるか？
• RQ2 強い結合原子-キャビティ系における断続的ダーク状態遷移が、光子と原子の間でロバストで高忠実度のエンタングルメントを生じるか？
• RQ3 NOON状態生成の効率は、キャビティ協調性要因にどのように依存するか？また、現実的なパラメータで高N状態の生成を可能にするか？
• RQ4 有限のポンプパルス上昇時間やキャビティ損失といった実験的不確実要因に対しても、この方式は耐性を示せるか？

主な発見

• 系は断熱的にダーク状態へと進化し、短命な励起状態への励起が最小限に抑えられる中規模にエンタングルされた光子および原子フォック状態の重ね合わせとなる。
• NOON状態生成の効率は、1原子あたりの協調性要因に指数関数的に依存し、中程度の協調性値でも高N状態の生成が可能になる。
• M=8原子およびΩ/Γ=10³の場合の数値シミュレーションにより、進化過程でダーク状態の励起が80％以上を維持することが確認され、ロバスト性が裏付けられた。
• M=8原子の場合、∫₀ᵀ n_ph(t) dt ≈ 12.2のキャビティ減衰パラメータが得られ、g²/(κΓ) ≈ 10の条件下で実証実験が現実的であることを示している。
• 急峻なポンプパルスに対しても、Ω(t)の増加に伴い断熱性が向上し、高n_ph状態に長く滞在する時間が短縮されるため、キャビティ損失が低減され、方式の有効性が保たれる。
• この方法はスケーラブルであり、同じハミルトニアン（1）で記述される系に一般化可能であり、トラップイオンなど他の系に対しても適用可能である。