[論文レビュー] Single-shot measurement of a Rydberg superatom via collective photon burst

Chao-Wei Yang, Jun Li+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2021

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 34被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、低自由値ファイバーを用いた低自由値キャビティにおける集団的光子バーストを用いて、Rydbergスーパートモットンキュービットの決定的かつワンショット測定を実証し、93.2%の忠実度を達成した。Rydbergブロッキングとマイクロ波Ramanパルスを活用することで、|r₁⟩状態では逐次的光子を放出し、|r₂⟩状態では発光を抑制する。これにより、4.8 μsの短時間で44%のファイバー内効率で光子数検出を用いた高忠実度の状態識別が可能となった。

ABSTRACT

With Rydberg dipole interactions, a mesoscopic atomic ensemble may behave like a two-level single atom, resulting in the so-called picture of superatom. It is in potential a strong candidate as a qubit in quantum information science, especially for efficient coupling with single photons via collective enhancement that is essential for building quantum internet to connect remote quantum computers. Previously, preliminary studies have been carried out in demonstrating basic concept of Rydberg superatom, a single-photon source, and entanglement with a single photon, etc. While a crucial element of single-shot qubit measurement is still missing. Here we realize the deterministic measurement of a superatom qubit via photon burst in a single shot. We make use of a low-finesse ring cavity to enhance the atom-photon interaction and obtain an in-fiber retrieval efficiency of 44%. Harnessing dipole interaction between two Rydberg levels, we may either create a sequence of multiple single photons or nothing, conditioned on the initial qubit state. We achieve a single-shot measurement fidelity of 93.2% in 4.8 us. Our work complements the experimental toolbox of harnessing Rydberg superatom for quantum information applications.

研究の動機と目的

• 決定的ワンショット測定によるRydbergスーパートモットンキュービットの測定を実証することで、実験的量子制御における重要なギャップを埋める。
• 原子アンサンブルにおける非効率的・確率的測定の限界を克服し、集団的光子放出を用いた損失のない高忠実度の読み出しを実現する。
• キャビティ強化とRydbergブロッキング、マイクロ波制御を統合することで、ワンショットでスケーラブルかつ高忠実度のキュービット測定を実現する。
• 設計された光子バーストを用いて、任意の基底における射影測定を実現し、量子状態トモグラフィーを可能にする。

提案手法

• 低自由値リングキャビティが原子-光子相互作用を強化し、光学的深さ1.9を達成し、ファイバー内単一光子収率を44%まで向上させた。
• 795 nmおよび474 nmレーザーを用いた二光子励起により、Rydbergブロッキング半径内に集団的|R₁⟩状態のRydbergスーパートモットンを準備した。
• マイクロ波Ramanパルスにより、|r₁⟩と|r₂⟩状態間のコherentな遷移を実現し、状態依存の光子放出を可能にした。
• 繰り返し励起と収率サイクル（12回）を実行し、単一モードファイバー結合型超伝導ナノワイヤー単一光子検出器を用いて光子バーストを検出した。
• ポケルス素子による動的ノイズフィルタリングにより、バックグラウンドノイズを低減し、ワンショット識別における信号対雑音比を向上させた。
• 可変マイクロ波パルスを用いた任意ユニタリ変換を適用し、異なる基底で測定することで、量子状態トモグラフィーを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 集団的光子放出を用いて、Rydbergスーパートモットンキュービットを高忠実度でワンショット測定可能か？
• RQ2 キャビティ強化は、集団的原子励起の収率と測定忠実度にどのように影響するか？
• RQ3 マイクロ波Ramanパルスは、決定的測定に適した状態依存の光子バースト生成を可能にするか？
• RQ4 |r₁⟩と|r₂⟩状態を区別する場合、ワンショット測定で達成可能な忠実度はどの程度か？
• RQ5 設計された光子バーストを用いて、任意の基底測定を実現し、量子状態トモグラフィーを可能にするか？

主な発見

• 状態準備の不完全性を補正した後、ワンショット測定忠実度は93.2%に達し、|r₂⟩状態では94.6%、|r₁⟩状態では91.8%を記録した。
• 低自由値キャビティを用いることで、ファイバー内単一光子収率が44%まで向上し、自由空間収率（最大21%）を著しく上回った。
• |r₁⟩状態では平均2.63光子が4.8 μs間に放出されたが、|r₂⟩状態では発光が0.19光子に抑制され、明確な識別が可能となった。
• 光子放出統計はポisson的分布に近く、|r₁⟩状態では8.2%のゼロ光子イベントを示した。|r₂⟩状態では1.2%のダークカウントノイズが残存発光に寄与した。
• 重ね合わせ状態(|r₁⟩+|r₂⟩)/√2および0.88|r₁⟩+0.47|r₂⟩の量子状態トモグラフィーでは、それぞれ89.3%および88.6%の忠実度を達成した。
• 測定された原始的忠実度は91.3%であり、主な忠実度低下要因はマイクロ波パルスの不完全性と機械的位相不安定性に起因した。