[論文レビュー] Magnetic Quantum-Phase Control between Two Entangled Macroscopic Nuclear Ensembles

Wen-Te Liao, Christoph H. Keitel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2014

Crystallography and Radiation Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、X線パラメトリックダウンコンersion（XPDC）、X線干渉計、および核共鳴散乱を用いて、室温下で2つの巨視的57FeBO3結晶間の量子もつれを予報的かつ磁気的制御で生成する理論的スキームを提案する。この手法により、もつれのコher-エンス時間は最大約100ナノ秒にまで延長され、空間的に分離された結晶内の核遷移に対して、調整可能な磁場を用いた非機械的量子位相制御が可能になる。

ABSTRACT

Heralded generation and manipulation of quantum entanglement between two macroscopic and spatially separated crystals at room temperature is theoretically studied. We show that by combining an x-ray parametric down-conversion source and x-ray interferometry with nuclear resonant scattering techniques, two macroscopic crystals hosting Mössbauer nuclei located each on an interferometer arm can be entangled for few tens of nanoseconds. The coherence time of the entanglement state can be prolonged up to values comparable to the lifetime of a single nuclear excited state, on the order of hundred nanoseconds. A non-mechanical magnetic control of the quantum phase between the two spatially separated entangled nuclear crystals is put forward.

研究の動機と目的

• X線量子光学を用いた、スケーラブルで室温下での巨視的核集合体間のもつれ生成のためのスキームを提示すること。
• 従来の光・光子のもつれスキームで見られるコher-エンス時間、温度、および試料サイズの制限を克服すること。
• 空間的に分離されたもつれ核系間の非機械的磁場制御による量子位相制御を可能にすること。
• もつれを集団的核励起状態およびフォノン励起状態と結合させることで、量子-古典的境界を探索すること。
• 固体結晶内の核遷移を用いた、長コher-エンス量子メモリおよび量子ネットワークの基盤を確立すること。

提案手法

• ダイヤモンド結晶におけるX線パラメトリックダウンコンバージョン（XPDC）を用いて、もつれた信号光子（14.4 keV）とイダー光子（100 eV）を生成する。
• ビームスプリッターを備えたX線干渉計を用いて、信号光子の二経路スーパポジション状態 |TPE⟩ = (|1⟩L|0⟩R + i|0⟩L|1⟩R)/√2 を作成する。
• もつれた信号光子を、空間的に分離された2つの57FeBO3結晶に導く。核共鳴散乱により、核状態にもつれが誘発される。
• 左および右の結晶に可変磁場（BLおよびBR）を印加し、ゼーマンシフトを誘発することで、もつれ状態間の量子位相を制御する。
• 核フォワード散乱（NFS）を用いて、信号光子を吸収し、位相を保ったまま再放射する。これにより、伝搬中のもつれが維持される。
• 予報検出方式を採用：EUVイダー検出器にクリックが発生することで、1つのもつれた信号光子の存在が確認され、後選択と高精度な状態準備が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 X線量子光学を用いて、室温下で予報的かつ巨視的核集合体間のもつれを生成できるか？
• RQ2 核遷移を用いた場合、原子的・光学的スキームと比較して、このようなもつれの最大コher-エンス時間はどの程度達成可能か？
• RQ3 磁場を用いて、空間的に分離された2つのもつれ核系間の量子位相を非機械的手段で制御できるか？
• RQ4 高エネルギーで透過性に優れたX線光子を用いることで、量子メモリおよびネットワーク応用におけるスケーラビリティと耐障害性がどのように向上するか？
• RQ5 集団的核励起状態およびフォノンモードをどの程度までもつれ状態にできるか。また、それらを用いて量子から古典への遷移をどのように探査できるか？

主な発見

• 本スキームは、約1 Hzの予報的もつれ生成レートを達成し、信号光子のフラックスは1秒あたり2.9×10⁶個である。
• もつれた核状態のコher-エンス時間は約100ナノ秒にまで延長され、1つの57Fe核励起状態の寿命と同等の長さに達する。
• 磁場制御により、核準位のゼーマン分裂を介して、2つのもつれた結晶間の量子位相を正確かつ非機械的に操作可能である。
• ダイヤモンド（111）結晶におけるXPDCは、2次非線形感受率 |χ²₁₁₁| ≈ 10⁻²⁰ C/N を実現し、XFELポンプ源を用いても効率的なもつれ生成が可能になる。
• 本システムは、約10¹⁸原子の巨視的試料に対してもつれを実現可能であり、従来の光的・原子的量子メモリと比較して顕著に大きなスケールである。
• 本装置は、meVエネルギー分解能でフォノンモードを検出可能であり、量子デコherenceおよび巨視的量子効果の研究への道筋を開く。