[論文レビュー] Quantum jumps in a two-level atom

Howard M. Wiseman, Gilman E. S. Toombes|ArXiv.org|Mar 5, 1999

Quantum Information and Cryptography参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、強力に駆動される二準位系原子における量子跳躍ダイナミクスを調査し、ドレッシング原子モデルと、固有状態間の確率的跳躍を記述するTeich-Mahlerモデルを比較する。スペクトル検出と二つのアダプティブホモダイン手法を用いて、著者らは、すべての測定手法がドレッシング状態の跳躍行動を非常によく再現することを示した。誤差はそれぞれ(γ/Ω)²/³および(γ/Ω)²のオーダーで増加し、環境による超選択の役割が量子跳躍を説明する上で有効であることを裏付けた。

ABSTRACT

A strongly-driven ($Ω>> γ$) two level atom relaxes towards an equilibrium state rho which is almost completely mixed. One interpretation of this state is that it represents an ensemble average, and that an individual atom is at any time in one of the eigenstates of $ρ$. The theory of Teich and Mahler [Phys. Rev. A 45, 3300 (1992)] makes this interpretation concrete, with an individual atom jumping stochastically between the two eigenstates when a photon is emitted. The dressed atom theory is also supposed to describe the quantum jumps of an individual atom due to photo-emissions. But the two pictures are contradictory because the dressed states of the atom are almost orthogonal to the eigenstates of $ρ$. In this paper we investigate three ways of measuring the field radiated by the atom, which attempt to reproduce the simple quantum jump dynamics of the dressed state or Teich and Mahler models. These are: spectral detection (using optical filters), two-state jumps (using adaptive homodyne detection) and orthogonal jumps (another adaptive homodyne scheme). We find that the three schemes closely mimic the jumps of the dressed state model, with errors of order $(3/4) (γ/Ω)^{2/3}$, $(1/4) (γ/Ω)^{2}$, and $(3/4) (γ/Ω)^{2}$ respectively. The significance of this result to the program of environmentally-induced superselection is discussed.

研究の動機と目的

• 強力に駆動される二準位系原子におけるドレッシング状態モデルとTeich-Mahlerモデルの間の矛盾を解消すること。
• 測定手法がドレッシング状態理論が予測する確率的跳躍ダイナミクスを再現できるかどうかを検証すること。
• Teich-Mahlerの解釈、すなわち平衡状態が固有状態を往復する個々の原子の集合であるという解釈の妥当性を評価すること。
• これらの結果が、開放系における環境による超選択の理論に与える意味を評価すること。

提案手法

• 光学フィルタを用いたスペクトル検出を採用し、放出された場を測定し、跳躍に類似した遷移を検出する。
• 二状態跳躍検出のためのアダプティブホモダイン検出を実装し、リアルタイムでの量子跳躍を追跡する。
• 別のアダプティブホモダイン手法を用いて直交跳躍スキームを適用し、跳躍ダイナミクスを比較する。
• 摂動的誤差推定を用いて、各検出手法の理想化されたドレッシング状態モデルとの整合性を分析する。
• 3つの手法について、それぞれ(3/4)(γ/Ω)²/³、(1/4)(γ/Ω)²、および(3/4)(γ/Ω)²のオーダーの誤差境界を導出する。
• ドレッシング状態基底を基準として、異なる測定プロトコル下での個々の原子の確率的跳躍行動を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペクトル検出は、強力に駆動される二準位系原子において、ドレッシング状態モデルの量子跳躍ダイナミクスを再現できるか？
• RQ2 アダプティブホモダイン検出手法は、ドレッシング状態理論が予測する確率的跳躍をどの程度正確に模倣できるか？
• RQ3 異なる検出手法において、測定された跳躍ダイナミクスと理想化されたドレッシング状態モデルとの間の定量的誤差は何か？
• RQ4 測定手法は、Teich-Mahlerモデルが平衡状態を固有状態を往復する原子の集合として解釈するという主張を支持するか？
• RQ5 これらの結果は、量子測定における環境による超選択の理論にどのような意味を持つのか？

主な発見

• スペクトル検出は、誤差が(3/4)(γ/Ω)²/³のオーダーで、ドレッシング状態の跳躍ダイナミクスを非常によく再現した。
• 二状態跳躍アダプティブホモダイン手法は、ドレッシング状態の跳躍行動を再現するにあたり、誤差が(1/4)(γ/Ω)²のオーダーとなった。
• 直交跳躍アダプティブホモダイン手法も、誤差が(3/4)(γ/Ω)²のオーダーで、検出手法間の整合性が確認された。
• 結果は、強力に駆動される二準位系原子の平衡状態が、固有状態間を連続的に跳躍する個々の原子の集合として理解できる可能性を支持する。これはTeich-Mahlerモデルと整合的である。
• 小さな誤差項は、測定によるバックアクションがドレッシング状態のダイナミクスを効果的に模倣できることを示しており、量子跳躍を説明する上で環境による超選択の役割を強化するものである。