[論文レビュー] Transitionless intra-cavity quantum state transfer in optomechanical systems

Hao Zhang, Xue‐Ke Song+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2016

Mechanical and Optical Resonators参考文献 50被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、遷移なし量子駆動（TQD）アルゴリズムを用いた、光力学的系における遷移なし量子状態転送プロトコルを提案する。この手法により、時間の制御や結合インターバルの正確な設定を必要とせず、高速でロバストかつ高精度な光学キャビティ間の状態転送が可能になる。このスキームは、機械的散逸や非基底状態初期条件に対しても、ほぼ完璧な状態転送の忠実度（最大93％）を達成する。これは、主にエネルギー差の大きい光力学的結合とガウス型時間依存結合を活用することで実現される。

ABSTRACT

Quantum state transfer between cavities is crucial for quantum information processing and quantum computation in optomechanical systems. Here, we present the first scheme for the transitionless intra-cavity quantum state transfer based on transitionless quantum driving (TQD) algorithm in optomechanical systems. We also present a physically feasible system for the TQD process based on largely detuned optomechanical cavity. With the Gaussian time-dependence coupling strengths, our scheme can achieve the perfect quantum state transfer with no undesired transition and reduce the dependence of accurately controlling evolution time and interval of coupling strengths. Our computational results show that the TQD process can be accomplished with no need of the mechanical oscillator in its ground state and is also robust to the mechanical dissipation.

研究の動機と目的

• 光力学的系における遅い断熱的量子状態転送の課題に対処すること。これは、タイミング誤差やデコherenceに脆弱である。
• 機械的オシレーターが基底状態にないことを前提としない非断熱的プロトコルを開発すること。
• 結合持続時間や結合パulses間の時間間隔の正確な制御への感受性を低減すること。
• 実用的な光力学的実装における機械的散逸や熱雑音に対して、より高いロバスト性を向上させること。
• 実験的に調整可能なガウス型結合強度を用いた、物理的に実現可能なスキームを提供すること。

提案手法

• プロトコルは、断熱的遷移を加速し、非断熱遷移を排除するため、遷移なし量子駆動（TQD）アルゴリズムを用いる。
• 光学キャビティと機械的共鳴子との間の時間依存結合強度は、滑らかで制御可能な遷移を保証するガウス包絡を用いてモデル化される。
• 大周波数差近似のもとで系のハミルトニアンが導出され、キャビティと機械モードの直接結合が最小限に抑えられる。
• ダイナミクスは、キャビティ減衰（κ₁, κ₂）と機械的減衰（γₘ）を含むリンドブラッドマスター方程式を用いてシミュレートされ、熱フォノン数nₜₕをパラメータとして用いる。
• 忠実度は、機械的自由度のトレースをとり、目的とする出力状態|01⟩を基準として評価される。
• ロバスト性は、初期フォノン数とnₜₕの変化、および結合パulses間の時間間隔にわずかなずれを加えることでテストされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 遷移なし量子駆動は、光力学的系におけるキャビティ内量子状態転送に成功して適用可能か？
• RQ2 TQDに基づく状態転送は、結合パulsesシーケンスのタイミング誤差に対してどの程度感受性を示すか？
• RQ3 このプロトコルは、機械的散逸や熱雑音に対してどの程度ロバストか？
• RQ4 機械的オシレーターが基底状態にない状態でも、高忠実度の状態転送を達成可能か？
• RQ5 標準的な断熱的またはダブルスワッププロトコルと比較して、ガウス型結合強度の使用はロバスト性を向上させるか？

主な発見

• TQDプロトコルは、キャビティ減衰（κ₁ = κ₂ = 0.015）と機械的減衰（γₘ = 5×10⁻⁴）が存在する状況でも、最大93％の忠実度を達成する。nₜₕ = 100であっても同様である。
• 初期フォノン数が|0⟩から|3⟩に増加し、nₜₕが0から400に変化しても、忠実度は0.935から0.910までわずかに低下する（0.025の減少）ことから、熱雑音に対して強いロバスト性が示された。
• 結合パulses間の時間間隔に±0.46のずれが生じても、キャビティ2の目的状態に対して忠実度は99％以上を維持し、顕著な影響がない。
• このプロトコルは、機械的オシレーターが基底状態にないことを前提とせず、現実的な熱的条件下での動作を可能にする。
• 進化時間や結合インターバルの正確な制御に感受性が低く、断熱的およびダブルスワッププロトコルの主な限界を克服する。
• ガウス型時間依存結合の使用により、滑らかで高速かつ高忠実度の状態転送が可能になり、不要な遷移を誘発しない。