[論文レビュー] Quantum control of atomic systems by time resolved homodyne detection

Holger F. Hofmann, G. Mahler+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 1997

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、弱い光放射の時間分解能をもったバランス型混合検出を用いて、原子系に対するフィードバックベースの量子制御方式を提案する。光子放出をWigner-Weisskopf理論でモデル化し、その結果生じるバックアクションをBlochベクトルの量子拡散として分析することで、本研究では、避けられない量子ゆらぎが存在する中でも、原子状態の時間的変化を完全にリアルタイムで制御可能であることを示している。これにより、量子ゆらぎを補償するかたちで、安定化やコherent状態の準備が可能となる。

ABSTRACT

We investigate the properties of ideal projective balanced homodyne detection measurements on low intensity light fields emitted by individual atomic systems during short time intervals. A model for time resolved photon emissions based on Wigner-Weisskopf theory is used to describe the emission process. The back- action of this emission process is analytically described as a quantum diffusion of the Bloch vector. It is shown that the evolution of the atomic wavefunction can be controlled completely using the results of homodyne detection. This allows the stabilization of a known quantum state or the creation of coherent states by a feedback mechanism. However, the feedback mechanism can never compensate the dissipative effects of quantum fluctuations even though the coherent state of the system is known at all times.

研究の動機と目的

• 弱い光学測定を用いて、原子量子状態のリアルタイム制御手法を開発すること。
• 量子測定理論を用いて、光子放出が原子系に及ぼすバックアクションを理解すること。
• 散乱による量子ゆらぎが存在する中でも、フィードバック機構が安定化や既知の量子状態の準備を可能にするかを調査すること。
• Wigner-Weisskopf理論を用いて、個々の原子からの時間分解能をもった光子放出をモデル化し、放出ダイナミクスの正確な記述を行うこと。

提案手法

• 短時間間隔にわたり、個々の原子系から放出される低強度光場を、理想的な射影的バランス型ホモダイン検出を用いて測定する。
• 2準位原子がキャビティ内または自由空間に存在する場合の自発的放出を記述するために、Wigner-Weisskopf理論を用いて放出プロセスをモデル化する。
• 測定記録から導かれるように、測定によるバックアクションを、原子Blochベクトルに作用する量子拡散過程として分析する。
• リアルタイムでのホモダイン測定結果を用いて、原子状態を所望のターゲット状態へ誘導するフィードバック機構を設計する。
• 測定されたホモダイン信号を用いて、原子系に印加される制御場を継続的に更新し、動的状態操作を可能にする。
• 原子密度行列の条件付き時間発展を記述するため、確率的マスター方程式の観点からフィードバック制御を定式化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間分解能をもったホモダイン検出は、単一原子系の量子状態の時間的変化を完全に制御可能か？
• RQ2 量子測定理論によって記述される光子放出のバックアクションが、弱い測定下での原子Blochベクトルに及ぼす影響はいかなるものか？
• RQ3 量子ゆらぎが存在する中で、フィードバック機構がどれほど安定化やコherent状態の準備を可能にするか？
• RQ4 散乱効果をフィードバックによって補償しつつ、常に原子状態の知識を保持することは可能か？

主な発見

• 光子放出が原子系に及ぼすバックアクションは、測定記録と整合的である量子拡散過程として、解析的に記述可能である。
• ホモダイン検出に基づくフィードバックにより、原子波動関数の時間発展を完全に制御可能であり、既知の量子状態の安定化が可能である。
• 提案されたフィードバック機構を用いることで、原子系のコherent状態を生成・維持できる。
• 連続的にシステム状態の知識を保持しているにもかかわらず、フィードバック機構は量子ゆらぎによる散乱効果を完全に補償できない。
• 測定によるバックアクションは、システム状態が常に把握されていなくても、状態準備や安定化の忠実度を制限する。