[論文レビュー] Open Systems Dynamics for Propagating Quantum Fields

Ben Q. Baragiola|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 197被引用数 8

ひとこと要約

本学位論文は、N光子状態を用いた量子光物質相互作用をモデル化するための三次元オープン系フレームワークを構築し、時間モードもつれに起因する非マークフィアン的ダイナミクスに注目する。連続測定による集団的原子スピンスリーシングを記述する結合されたマスター方程式を導入し、空間的非一様性が一次元近似をはるかに上回るスリーシングを顕著に強化することを示している。

ABSTRACT

In this dissertation, I explore interactions between matter and propagating light. The electromagnetic field is modeled as a reservoir of quantum harmonic oscillators successively streaming past a quantum system. Each weak and fleeting interaction entangles the light and the system, and the light continues its course. Within the framework of open quantum systems, the light is eventually traced out, leaving the reduced quantum state of the system as the primary mathematical subject. Two major results are presented. The first is a master equation approach for a quantum system interacting with a traveling wave packet prepared with a definite number of photons. In contrast to quasi-classical states, such as coherent or thermal fields, these N-photon states possess temporal mode entanglement, and local interactions in time have nonlocal consequences. The second is a model for a three-dimensional light-matter interface for an atomic ensemble interacting with a paraxial laser beam and its application to the generation of QND spin squeezing. Both coherent and incoherent dynamics due to spatially inhomogeneous atom-light coupling across the ensemble are accounted for. Measurement of paraxially scattered light can generate squeezing of an atomic spin wave, while diffusely scattered photons lead to spatially local decoherence.

研究の動機と目的

• 伝播するN光子状態が示す内在的時間モードもつれを考慮した、量子光物質相互作用のモデル化。
• 原子-光の結合および放射パターンにおける空間的非一様性を捉える三次元形式の開発。
• 量子場によるプローブを受ける集団的原子系における非マークフィアン的ダイナミクスの記述。一次元的かつ一様なモデルの制限を回避する。
• 光物質界面における空間的非一様性が原子系のスピンスリーシングにどのように向上効果を及ぼすかの定量的評価。

提案手法

• 包絡面モードへのコherentな集団散乱を組み込んだ、縮約された集団的原子状態の確率的マスター方程式の定式化。
• 三次元空間的モデルを用いて、局所的非一様な拡散散乱によるデコherenceを組み込み。
• 伝播する量子場の観測に起因する原子系への連続測定のバックアクションをモデル化。
• 原子系と場の同時進化を追跡するための結合マスター方程式を用い、N光子状態のもつれに起因する非マークフィアン効果を保存。
• 空間モードマッチングを明示的に取り入れ、連続測定下でのスピンスリーシングを検討するための形式主義の適用。
• 原子-光もつれのダイナミクスを導出し、測定を通じてそのもつれが原子間もつれに変換される過程の記述。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子-光界面における空間的非一様性は、集団的原子系のスピンスリーシング度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 N光子状態のもつれに起因する非マークフィアン的ダイナミクスは、どのようなパrameter領域でマークフィアン近似と比較してスピンスリーシングを強化するか？
• RQ3 レーザーと散乱光の三次元的空間モードは、原子間もつれ生成効率にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 空間的非一様系において、伝播場の連続測定はどのように原子-光もつれを原子間もつれに変換するか？
• RQ5 測定する場が明確な光子数を持つ場合、非マークフィアンマスター方程式形式主義は、集団的原子ダイナミクスを正確に記述できるか？

主な発見

• 最大のスピンスリーシングは、顕著な空間的非一様性を示すパラメータ領域で発現し、非一様性がもつれ生成を強化することが明らかになった。
• N光子状態の時間モードもつれに起因する非マークフィアン的ダイナミクスは、一次元的かつ一様なモデルとは顕著に異なる挙動を示す。
• 三次元モデルは、レーザー光ビームと集団的放射パターンの空間モードマッチングが、スリーシングの最大化に極めて重要であることを明らかにした。
• 場の連続測定によるバックアクションは、原子-光もつれを効果的に原子間もつれに変換し、集団的スピンスリーシングを可能にした。
• 形式主義は、拡散散乱によるデコherenceがスリーシングを制限することを示したが、最適な空間モード重ね合わせによってその影響を緩和可能であることが判明した。
• 結合マスター方程式アプローチにより、特に強い空間的非一様性を示す領域において、マークフィアン近似を越えた正確なスピンスリーシング予測が可能となった。