[論文レビュー] Quantum Information at the Interface of Light with Mesoscopic Objects

Christine A. Muschik, Hanna Krauter+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2011

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、室温の原子蒸気とファラデー効果を用いた調整可能な光-物質界面を提案し、高度な量子技術を実現する。相互作用ダイナミクスを設計することで、ほぼ量子限界に近い磁気測定、スケールド光のための量子メモリ、散逸的エンタングルメント生成が達成され、原子スピンを機械的振動子と結合させることでハイブリッド量子系を構築する。

ABSTRACT

This article reviews recent research towards a universal light-matter interface. Such an interface is an important prerequisite for long distance quantum communication, entanglement assisted sensing and measurement, as well as for scalable photonic quantum computation. We review the developments in light-matter interfaces based on room temperature atomic vapors interacting with propagating pulses via the Faraday effect. This interaction has long been used as a tool for quantum nondemolition detections of atomic spins via light. It was discovered recently that this type of light-matter interaction can actually be tuned to realize more general dynamics, enabling better performance of the light-matter interface as well as rendering tasks possible, which were before thought to be impractical. This includes the realization of improved entanglement assisted and backaction evading magnetometry approaching the Quantum Cramer-Rao limit, quantum memory for squeezed states of light and the dissipative generation of entanglement. A separate, but related, experiment on entanglement assisted cold atom clock showing the Heisenberg scaling of precision is described. We also review a possible interface between collective atomic spins with nano- or micromechanical oscillators, providing a link between atomic and solid state physics approaches towards quantum information processing.

研究の動機と目的

• スケーラブルな光量子計算および長距離量子通信に適した汎用的光-物質インターフェースの開発。
• 従来の光-物質相互作用の制限を克服し、ファラデー効果を調整することで、より優れた量子制御を実現。
• エンタングルメント支援型センシングにより、高精度な磁気測定で量子クラーメル・ラオ限界に近づく。
• 集団的原子スピンを用いて、光のスケールド状態のための量子メモリを実現。
• 原子スピンをナノまたはマイクロメカニカル振動子と結合させることで、ハイブリッド量子系を探索。

提案手法

• 室温の原子蒸気におけるファラデー効果を用いて、光と原子スピン間の量子相互作用を媒介。
• 調整可能なレーザーパルスを用いて、光-物質結合の強度とダイナミクスを制御し、最適化された量子操作を実現。
• 測定の反作用を最小限に抑えるためのバックアクションを回避する測定を適用し、磁気測定でハイゼンベルク限界に近づける。
• 散逸的プロトコルを実装し、光と物質系間のエンタングルメントを生成・安定化。
• 集団的原子スピンと機械的振動子を結合するための理論的および実験的フレームワークを提唱。
• 量子非破壊検出技術を活用し、高い忠実度で原子スピン状態をモニタリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 室温の原子蒸気におけるファラデー相互作用を調整することで、ほぼ最適な量子センシング性能を達成できるか？
• RQ2 集団的原子スピン系を用いて、非古典的光状態のための量子メモリをどの程度実現できるか？
• RQ3 散逸的プロセスを設計することで、光と物質間のエンタングルメントを生成・維持できるか？
• RQ4 原子スピンと機械的振動子の結合が、量子情報処理の新たな道筋をどのように開くか？
• RQ5 原子系におけるエンタングルメント支援型測定が、精度においてハイゼンベルクスケーリングを達成できるか？

主な発見

• 室温の原子蒸気におけるファラデー相互作用により、バックアクションを回避する磁気測定が実現され、量子クラーメル・ラオ限界に近づく。
• 向上したエンタングルメント支援型センシングが実証され、精度のスケーリングがハイゼンベルク限界に近づく。
• 原子集合体における制御された光-物質相互作用を通じて、光のスケールド状態のための量子メモリが実現された。
• 散逸的エンタングルメント生成が達成され、頑健で安定したエンタングルメントプロトコルが可能になった。
• 別個の実験では、エンタングルメント支援型の冷たい原子時計においてハイゼンベルクスケーリングの精度が示された。
• ナノまたはマイクロメカニカル振動子と集団的原子スピンをインターフェースする理論的および実験的道筋が確立された。