[論文レビュー] Logical operations with single x-ray photons via dynamically-controlled nuclear resonances

Jonas Gunst, Christoph H. Keitel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2015

Crystallography and Radiation Phenomena参考文献 32被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、57Feにおける動的制御された核共鳴線を用いて、1個のX線光子における論理演算を実行する理論的枠組みを提案する。急速に回転する核のハイパーフィン磁場を用いることで、偏光符号化されたX線キュービットを操作し、1キュービットゲートおよび制御NOTゲートを実装可能となり、keVエネルギー領域での光子量子論理を実現する。空間分解能が高く、コherencte時間も長いことが期待される。

ABSTRACT

The implementation of logical operations on polarization-encoded x-rays via resonant light-nucleus interactions is theoretically investigated. We show that by means of resonant scattering off nuclei and fast rotations of the nuclear hyperfine magnetic field to control the polarization of the output photon, single-qubit logical gates can be simulated. A second control qubit may be employed to trigger the magnetic field rotation, thus allowing several implementation choices for a controlled NOT gate for x-ray photons.

研究の動機と目的

• 共鳴核相互作用を用いて、keVエネルギー領域での単一X線光子における量子論理操作を可能にすること。
• 単一光子レベルでの偏光符号化X線キュービットを制御する課題を克服すること。
• 核ハイパーフィン磁場制御を用いて、1キュービットおよび2キュービット量子ゲートの実現可能性を示すこと。
• 長寿命のコherencte時間と高い空間分解能を有するX線領域への量子情報処理の拡張。
• 核遷移を用いたスケーラブルなX線ベース量子情報処理の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• X線の核フォワード散乱（NFS）を用い、57Fe核においてX線の偏光状態と核ハイパーフィン準位をコherently結合する。
• 核ハイパーフィン磁場を4ナノ秒未塔の高速で回転させ、量子化軸を動的に制御し、ゼーマン準位間で集団的核励起を再分配する。
• 摂動理論とゆっくり変化する包絡線近似を用いた半古典的波動方程式を用いて、散乱X線場をモデル化する。
• 共鳴核応答を非共鳴電子散乱から分離するために、タイムゲーテッド検出方式を導入する。
• 磁場回転をトリガーするための制御光子を用い、制御NOTゲートのような条件付き論理操作を実現する。
• 複数の散乱オーダーの和として散乱電場振幅をモデル化し、場の回転タイミングと幾何配置によって位相と振幅が変調されることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 動的回転する核ハイパーフィン磁場を用いて、単一X線光子の偏光をコherently制御可能か？
• RQ2 共鳴核散乱と磁場回転を用いて、普遍的な1キュービット量子ゲートを実現可能か？
• RQ3 2番目の制御光子が磁場回転をトリガーすることで、X線領域に制御NOTゲートを実現可能か？
• RQ4 磁場スイッチングのタイミングと幾何配置が、出力光子の偏光およびゲート忠実度に与える影響は？
• RQ5 核遷移を介して、空間的または時間的に分離されたX線モード間にエンタングルメントを生成できる条件は何か？

主な発見

• X線励起後に核ハイパーフィン磁場の回転タイミングと方向を制御することで、1キュービット論理ゲートをシミュレート可能である。
• 2番目の時間的に同期した制御光子を用いて磁場回転をトリガーすることで、X線光子の制御NOTゲートが実現可能である。
• 磁場回転後のゼーマン準位間の干渉により、出力X線光子の偏光が制御され、任意の1キュービット操作が可能となる。
• 理論的モデルにより、散乱場振幅が回転時刻t0および磁場回転角度に依存することが示され、出力状態の精密制御が可能である。
• 本手法により、偏光符号化された単一X線光子のコherently処理が可能となり、高忠実度の量子論理操作が期待される。
• 核状態の長いコherencte時間とX線の高い空間分解能を活用し、特定の応用において光学量子系に比べて優位性を示す。