[論文レビュー] Perfectly capturing traveling single photons of arbitrary temporal wavepackets with a single tunable device

Hendra I. Nurdin, M. R. James+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 19, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、任意の時間的波パケット形状を持つ走行単一光子を完全に吸収できる、調整可能な量子系（単一キュービットまたは共鳴器として実現可能）の正確な時間依存結合関数を導出する。量子確率的微分方程式とゼロダイナミクスの原理を用いて、著者らは完全吸収が理論的に達成可能であることを示しているが、理想の結合関数は t=0 で特異性を示すため、実際のデバイスでは実装のための実用的切断と近似が必要となる。

ABSTRACT

We derive the explicit analytical form of the time-dependent coupling parameter to an external field for perfect absorption of traveling single photon fields with arbitrary temporal profiles by a tunable single input-output open quantum system, which can be realized as either a single qubit or single resonator system. However, the time-dependent coupling parameter for perfect absorption has a singularity at $t=0$ and constraints on real systems prohibit a faithful physical realization of the perfect absorber. A numerical example is included to illustrate the absorber's performance under practical limitations on the coupling strength.

研究の動機と目的

• 任意の時間的波パケット形状を持つ単一光子を完全に吸収できる、調整可能な単一入力・単一出力の量子系の開発を目的とする。
• 量子ネットワークにおける状態転送の課題に応えるために、任意の単一光子状態を物質キュービットまたは共鳴器に完全に吸収可能にする。
• 従来のモードマッチングや対称的プロファイルに限定された手法の制限を克服し、完全吸収に必要な時間変動型結合パラメータを解析的に特定することを目的とする。
• 特に t=0 での結合関数の特異性に起因する物理的実装の困難さを踏まえ、理想の吸収器を物理的制約のもとで実現可能かどうかを検討することを目的とする。
• 数値シミュレーションを通じて、理想の結合関数の切断・物理的に実現可能な近似の性能を評価することを目的とする。

提案手法

• 単一光子場と調整可能な量子系の相互作用をモデル化するため、量子確率的微分方程式（QSDEs）を用いてシステムを形式化する。
• 出力光子が破壊的干渉によって完全に消失するよう保証するゼロダイナミクスの原理を適用し、完全吸収に至る必要十分な結合関数を導出する。
• QSDEを明示的に解き、完全吸収に必要な時間依存型結合パラメータの解析的表現を導出する。
• 制御理論におけるゼロダイナミクスの原理を再適用し、結合関数を再導出することで、一貫性を確認するとともに、より広範な理論的枠組みを提供する。
• t=0 での特異性を切断し、数値評価に適した連続的かつ有界な関数を用いることで、理想の結合関数の実用的近似を導入する。
• 指数的減衰波パケットを用いた数値例を用い、さまざまな切断時間 T におけるシステムの性能をシミュレートする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 調整可能な量子系において、任意の時間的波パケットを持つ単一光子を完全に吸収できる正確な時間依存型結合関数は何か？
• RQ2 なぜ理想の結合関数は t=0 で特異性を示すのか？ そして、この特異性が実際のデバイスにおける物理的実装を不可能にする理由は何か？
• RQ3 理想の結合関数を t=0 で切断することで、実装上における吸収忠実度にどのような影響が生じるか？
• RQ4 ゼロダイナミクスの原理を、オープン量子系における完全吸収に必要な結合モodulationを系統的に導出するのにも適用可能か？
• RQ5 有限の切断時間 T が、現実的な状況下での吸収器系の励起確率に及ぼす影響は何か？

主な発見

• QSDEとゼロダイナミクスの原理を用いて、任意の単一光子波パケットの完全吸収に必要な正確な時間依存型結合パラメータが解析的に導出された。
• 理想の結合関数は t=0 で特異性を示し、無限大に発散するエネルギー要件のため、物理的には実現不可能である。
• 数値シミュレーションの結果、t=0 での結合関数の切断により吸収忠実度が低下することが判明した。T = 0.001t₁、0.01t₁、0.1t₁ のそれぞれに対して、定常状態での励起確率は約 0.9957、0.9575、0.6037 となった。
• 有限時間窓内での吸収が不完全になるため、期待通りに切断時間 T が長くなるほど性能が劣化することが確認された。
• 可変インダクタンスを備えたマイクロ波超伝導回路など、結合を調整可能な単一キュービットまたは共鳴器として実現可能である。
• 導出された結合関数により、出力場に光子が存在しない（ゼロ出力ダイナミクス）ことが保証され、理想状態では完全吸収が達成されることを確認した。