[論文レビュー] One-atom maser: Non-separable atom pairs

Berthold‐Georg Englert, Pavel Lougovski+2 more|ArXiv.org|Sep 24, 2002

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、1原子メーザーにおける連続する2原子間の非古典的相関を、キャビティから取り出される2原子ペアの縮約密度行列を分析することによって調査する。Lewenstein–Sanpera分解を用いて、低励起および低温条件下では、2原子状態が顕著に分離不能であることを示し、これはキャビティ場が最初の原子の通過を記憶しているため、強いもつれを示していることを示している。

ABSTRACT

When a one-atom maser is operated in the standard way -- excited, resonant two-level atoms traverse the resonator at random times -- the emerging atoms are entangled with the cavity field. As a consequence, the results of measurements on different atoms tend to be correlated. We show that truly non-classical correlations can be found between two successive atoms by studying the properties of the reduced state of such an atom pair. In particular, we calculate its degree of separability and find parameter ranges in which it is markedly less than unity.

研究の動機と目的

• 実験的相関データを越えて、1原子メーザーにおける2連続原子間の量子相関を体系的に分析すること。
• 同じキャビティ場と逐次的に相互作用する2原子の結合状態に、真に非古典的かつ非分離可能なもつれが生じるかを調査すること。
• 非古典的相関の尺度として、2原子状態の分離度を定量化すること。
• 特に低原子流量および低熱光子数のパラメータ領域を特定し、強いもつれを最大化する条件を同定すること。

提案手法

• 各原子が量子化キャビティ場と共鳴して相互作用するJaynes–Cummingsダイナミクスを用いて1原子メーザーをモデル化する。
• 最初の原子が通過した後のキャビティ場の記憶を考慮して、連続的にキャビティを通過する2原子の結合状態の縮約密度行列を導出する。
• Lewenstein–Sanpera分解を用いて、分離度 𝒮 を計算し、2原子状態が分離状態にどれほど近いかを定量化する。
• Blochベクトルと相関パラメータを含む4パラメータ形式で2原子密度行列を表現し、分離性の解析的取り扱いを可能にする。
• キャビティ場の定常状態の性質と相互作用強度に基づいて、分解パラメータ（p, Λ, および 𝒮）を解析的に解く既知の手法を適用する。
• 励起率 𝑁_ex および熱光子数 𝜈 のさまざまな値について、分離度 𝒮 および |Δϱ| の差のトレースノルムを数値的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1原子メーザーにおける2連続原子の結合状態に、非分離的かつ真に非古典的相関を同定できるか？
• RQ2 2原子状態の分離度は、キャビティの励起率 𝑁_ex および熱光子数 𝜈 にどのように依存するか？
• RQ3 1原子メーザーにおける連続する原子間の非古典的相関を最大化するパラメータ領域は何か？
• RQ4 キャビティ場が最初の原子の相互作用を記憶していることは、2番目の原子のもつれにどのように影響するか？
• RQ5 熱雑音および高原子流量は、1原子メーザーにおける原子間もつれをどの程度劣化させるか？

主な発見

• 低励起率（𝑁_ex = 1）およびゼロの熱光子数（𝜈 = 0）では、分離度 𝒮 が1未満に顕著に小さくなり、強い非古典的相関を示している。
• 分離度 𝒮 は 𝑁_ex および 𝜈 が小さくなるにつれて減少し、低流量および低温が連続原子間のもつれを最大化することが示された。
• 数値結果から、1−𝒮 のプロットにおける暗黒領域（非分離状態を示す）は (𝑁_ex, 𝜈) = (1, 0) で最大であり、𝑁_ex や 𝜈 が高くなると小さくなることが分かった。
• 最初の原子による場の状態変化を測る指標である |Δϱ| のトレースノルムは、低 𝑁_ex および 𝜈 の場合に最大となり、強いもつれと相関している。
• 熱光子（𝜈 = 0.2）の存在は |Δϱ| と非分離領域の両方を低下させ、熱雑音が原子間相関を劣化させることを確認した。
• 特定のパラメータ範囲では2原子状態が非分離のまま（𝒮 < 1）であり、最適条件下で真に非古典的相関が生成されることを確認した。