[論文レビュー] Topological Quantum Coherence in a Symmetry-Protected Superatom

Wei Nie, Zhao-Hui Peng+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、準一次元原子配列における対称性保護型トポロジカルスーパーアトムを提案し、キャビティ駆動下でエッジ状態がトポロジー保護型量子コherenceを示すことを示している。この系はノイズに対して頑健なサブラディアンス-スーパーラディアンス遷移を示し、トポロジカルに保護された量子メモリの実現を可能にし、量子計算および量子光学分野への応用が期待される。

ABSTRACT

Exploring the properties and applications of topological quantum states is essential to better understand topological matter. Here, we theoretically study a quasi-one-dimensional topological atom array. In the low-energy regime, the atom array is equivalent to a topological superatom. Driving the superatom in a cavity, we study the interaction between light and topological quantum states. We find that the edge states exhibit topology-protected quantum coherence, which can be characterized from the photon transmission. This quantum coherence helps us to find a superradiance-subradiance transition, and we also study its finite-size scaling behavior. The superradiance-subradiance transition also exists in symmetry-breaking systems. More importantly, it is shown that the quantum coherence of the subradiant edge state is robust to random noises, allowing the superatom to work as a topologically protected quantum memory. We suggest a relevant experiment with three-dimensional circuit QED. Our study may have applications in quantum computation and quantum optics based on topological edge states.

研究の動機と目的

• 準一次元原子配列から形成される対称性保護型スーパーアトムにおけるトポロジカル量子状態の探索。
• キャビティ駆動下におけるトポロジカルスーパーアトムの光物質相互作用を調査し、光子透過率を用いてエッジ状態のコherenceを特徴づける。
• 対称性保護系および対称性破れ系の両方において、サブラディアンス-スーパーラディアンス遷移の存在を実証する。
• 量子メモリ用途を想定し、ランダムノイズに対するサブラディアンス状態のエッジ状態コherenceの頑健性を評価する。
• 理論的モデルを実験的に実現・検証可能な3次元回路QED実験の提案。

提案手法

• 準一次元原子配列の低エネルギー有効ハミルトニアンをトポロジカルスーパーアトムとしてモデル化する。
• キャビティ駆動を導入し、光とトポロジカルエッジ状態を結合させ、その結果生じる光子透過スペクトルを解析する。
• 光子透過率を用いてエッジ状態の量子コherenceを特徴づけ、サブラディアンス-スーパーラディアンス遷移を同定する。
• 有限サイズスケーリングを分析し、無限でない現実的な系における遷移の挙動を理解する。
• ランダムノイズ摂動を導入し、サブラディアンス状態のエッジ状態コherenceの頑健性を検証する。
• 理論モデルを実験的に実現可能な3次元回路QED構成を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 駆動されたトポロジカルスーパーアトムのエッジ状態において、トポロジー保護型量子コherenceを観測できるか？
• RQ2 トポロジカルスーパーアトムの光子透過率において、サブラディアンス-スーパーラディアンス遷移はどのように現れるか？
• RQ3 系にランダムノイズが存在する場合、サブラディアンス状態のエッジ状態コherenceは頑健か？
• RQ4 対称性が破れた系においても、サブラディアンス-スーパーラディアンス遷移は維持されるか？
• RQ5 トポロジカルスーパーアトムは、トポロジカルに保護された量子メモリの安定プラットフォームとして機能できるか？

主な発見

• トポロジカルスーパーアトムのエッジ状態は、キャビティ系における光子透過率から観測可能なトポロジー保護型量子コherenceを示す。
• 駆動キャビティ構成下で光子透過スペクトルを用いることで、サブラディアンス-スーパーラディアンス遷移が同定・特徴づけられた。
• 対称性破れ系においても、サブラディアンス-スーパーラディアンス遷移が維持されることから、保護状態に限定されない広範な関連性が示された。
• ランダムノイズ下でもサブラディアンス状態のエッジ状態コherenceが頑健であることが確認され、トポロジカル量子メモリへの応用可能性が裏付けられた。
• 有限サイズスケーリング解析から、遷移の挙動が実験的にアクセス可能な系においても安定的かつ測定可能であることが明らかになった。
• 理論的モデルを実験的に実現可能な3次元回路QEDプラットフォームが提案され、コherenceおよび遷移特性の検証が可能となる。