[論文レビュー] Quantum catalysis in cavity quantum electrodynamics

A. de Oliveira, Martí Perarnau-Llobet+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 66被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、2準位原子が消費されないまま、キャビティ内で非古典的光を生成する決定論的量子触媒反応をJaynes-Cummingsモデルで示している。原子状態と相互作用時間を工夫することで、キャビティは非古典的状態に発展し、その証拠としてサブポisson統計またはWigner負性が観測される。一方、原子は正確に初期状態に戻り、再利用が可能となる。

ABSTRACT

Catalysis plays a key role in many scientific areas, most notably in chemistry and biology. Here we present a catalytic process in a paradigmatic quantum optics setup, namely the Jaynes-Cummings model, where an atom interacts with an optical cavity. The atom plays the role of the catalyst, and allows for the deterministic generation of non-classical light in the cavity. Considering a cavity prepared in a ``classical'' coherent state, and choosing appropriately the atomic state and the interaction time, we obtain an evolution with the following properties. First, the state of the cavity has been modified, and now features non-classicality, as witnessed by sub-Poissonian statistics or Wigner negativity. Second, the process is catalytic, in the sense that the atom is deterministically returned to its initial state exactly, and can be re-used multiple times. What is more, we also show that our findings are robust under dissipation and can be applied to scenarios featuring cavity loss and atomic decay. Finally, we investigate the mechanism of this catalytic process, in particular highlighting the key role of correlations and quantum coherence.

研究の動機と目的

• 量子触媒反応が、以前は抽象的なリソース理論で研究されてきたが、現実的な量子光学プラットフォームで実現可能であることを示すこと。
• 2準位原子が、永久的に変化しないままキャビティ内で非古典的状態を生成する触媒として機能可能かどうかを調査すること。
• この触媒反応を可能にする量子資源（特に相関と量子コherーランス）を同定すること。
• 触媒的非古典的状態生成が可能となる条件を探索すること。初期キャビティ状態および原子状態の依存性を含む。
• キャビティQEDやトラップイオン系における実験的実装の可能性を評価すること。

提案手法

• 2準位原子と単一モード光学キャビティの相互作用をモデル化するために、Jaynes-Cummingsハミルトニアンを用いる。
• 適切に選ばれた相互作用時間 $ \tau $ に対して、ユニタリ時間発展 $ U = \exp(-iH_{\text{SC}}\tau) $ を適用し、原子が初期状態に正確に回復することを保証する。
• キャビティの最終状態を分析し、$ g^{(2)} < 1 $（サブポアソン統計）またはWigner負性によって非古典的性を検出する。
• 量子状態トモグラフィーと相関解析を用いて、触媒の性質を検証し、非古典的性の度合いを定量化する。
• 原子エネルギー基底の重ね合わせを分析することで、触媒における量子コヒーレンスの役割を調査する。
• 相互作用強度に制限を設けた数値シミュレーション（$ g\tau \leq 100 $）を実施し、触媒パラメータ空間を探索する。

Figure 1: Quantum catalysis in the Jaynes-Cummings model. (a) An atom (the catalyst C ) interacts with a single-mode optical cavity (the system S ), initially prepared in a “classical” coherent state. (b) We consider the evolution $U$ over a well-chosen time interval (from $t=0$ to $t=\tau$ ) such t

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2準位原子は、キャビティQED系において、非古典的光を生成する決定論的触媒として機能可能か？
• RQ2 このような触媒的非古典的状態生成に必要な量子資源（相関またはコヒーレンス）は何か？
• RQ3 初期原子状態が、キャビティ内での触媒的非古典的状態生成能力に与える影響は何か？
• RQ4 コherent状態やフォック状態を含む、さまざまな初期キャビティ状態に対しても、触媒プロトコルは頑健か？
• RQ5 既存の非古典的状態を強化するために、この触媒プロトコルを一般化可能か？

主な発見

• すべての $ \alpha \in (0,2] $ に対して、キャビティ状態はサブポアソン統計（$ g^{(2)} < 1 $）を示し、非古典的性の生成が確認された。
• 相互作用後、原子は初期状態に正確に回復しており、決定論的触媒反応の条件を満たしている。
• $ g\tau \leq 100 $ の領域では、非古典的性の生成が一般化され、低エネルギーコherent状態では $ g^{(2)} $ がゼロに近づく。
• 純粋な原子状態では、系-触媒間の相関が存在しないため、非古典的性を触媒的に生成できない。
• 触媒可能な原子状態の集合は、ほとんど純粋な状態を含んでおり、初期キャビティ状態に強く依存していることが示された。
• 中程度の非古典的性を有する状態から出発する場合、触媒プロトコルは既存の非古典的性を強化できるが、フォック状態の限界を超えては向上させられない。

Figure 2: First illustrative example. Catalytic process for generating non-classicality in the cavity, as captured by the second-order auto-correlation function. Its time evolution, $g^{(2)}(t):=g^{(2)}(\sigma_{\textsf{S}}(t))$ , is shown in the top panel, while the bottom panel shows the modificati