[論文レビュー] Manipulation and storage of optical field and atomic ensemble quantum states

Aurélien Dantan, Alberto Bramati+2 more|ArXiv.org|Jul 28, 2004

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、キャビティを用いた電磁誘導透過（EIT）およびラマン結合を介して、非散逸的かつ高効率に光場の量子状態（例えば、圧縮真空状態やアインシュタイン・ポドルスキー・ローゼン（EPR）もつれ状態）を原子系のスピン状態へ、そしてそれらから再び取り出すための量子モデルを提示する。主な結果として、高精度な準完全な状態の保存および再取得が可能であるが、直接的な圧縮状態の両方の系間での転送効率は約50%に制限されており、完全な転送には量子トランスポートレーションが必要である。

ABSTRACT

We study how to efficiently manipulate and store quantum information between optical fields and atomic ensembles. We show how various non-dissipative transfer schemes can be used to transfer and store quantum states such as squeezed vacuum states or entangled states into the long-lived ground state spins of atomic ensembles.

研究の動機と目的

• 非散逸的かつ可逆的な光場と原子系スピン状態の間の量子状態転送の理論的枠組みの構築を目的とする。
• 非古典的光場状態（例えば、圧縮真空状態やEPRもつれ状態）を集団的原子スピン自由度に長寿命に保存することを可能とする。
• スケーラブルな量子ネットワークを実現するため、一つの原子系から別の原子系へ量子もつれ（例えば、圧縮）を転送する可能性を検討する。
• 連続変数量子情報の文脈において、現実的なデコherenceおよび損失条件下での状態転送の効率と忠実度を評価する。
• 直接的な圧縮状態転送における制限を特定し、量子トランスポートレーションプロトコルを用いた解決策を提案する。

提案手法

• 集団的スピン演算子と場の演算子を含む、キャビティ結合型Λ型三準位原子系モデルを用い、ヘイゼンベルク＝ランジュヴァン方程式に従う。
• 電磁誘導透過（EIT）および非共鳴ラマン過程を用いて、光場と原子基底状態のコhereneyを介した、 coherent かつ非散逸的結合を実現する。
• キャビティの減衰（κ）、原子の自発的放出（γ）、および長寿命基底状態コhereneyの減衰（γ₀）を考慮するために、ランジュヴァンノイズ項をモデルに組み込む。
• キャビティ場の入出力関係を導出し、保存された原子状態を高忠実度で光場に読み出すプロセスを記述する。
• 時間領域およびフーリエ領域でのスピンダイナミクスの解析により、状態マッピング中のスペクトル応答およびノイズ転送を評価する。
• 順次的な光学的読み出しと書き込み操作を用いた疑似量子中継器スキームを提案し、中間の場モードを介して一つの原子系から別の原子系へ圧縮状態を転送する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧縮真空状態やEPRもつれ状態といった非古典的光場状態が、効率的かつ可逆的に長寿命の原子スピン状態へマッピング可能かどうか。
• RQ2 現実的なデコherence（γ₀）条件下で、光場と原子系の間の量子状態転送の最大忠実度と効率は何か。
• RQ3 一つの原子系の圧縮状態が、中間の光場を介して別の原子系へどの程度転送可能か。
• RQ4 直接的な圧縮状態転送効率が約50%に制限される理由は何か。また、これに対処するための代替プロトコルは存在するか。
• RQ5 スペクトル応答関数およびノイズ相関は、量子メモリおよび中継器の動作性能にどのように影響を与えるか。

主な発見

• EITおよびラマン結合を用いることで、理論的に圧縮真空状態やEPRもつれ状態を光場と原子系の間で準完全に、高忠実度で転送可能である。
• 原子系における量子状態の保存および再取得は、主に長寿命基底状態コhereneyの減衰率γ₀に起因する最小限のデコherenceによって維持される。
• 中間の光場を介した一つの原子系から別の原子系への最大圧縮転送効率は、ローレンツ応答関数のスペクトル重なりに起因し、約54%（4/e² ≈ 0.54）に制限される。
• 第二の原子系における最大圧縮のための最適転送時間はt = 1/γεであり、この時点でスピン成分の分散が最小値に達する。
• 出射場の間には一時的なもつれが存在し、その寿命は力学的減衰率γ₀に依存するが、冷却原子系では延長可能である。
• 完全な量子状態転送（例えば、トランスポートレーションのため）には、上記のマッピングとエンタングルメントスワッピングを組み合わせた、より高度なプロトコル（例：原子トランスポートレーション）が必要である。