[論文レビュー] Unitary Cavity Spin Squeezing by Quantum Erasure

Ian D. Leroux, Monika Schleier-Smith+2 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Sep 17, 2011

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、光子のショットノイズによって生じる光-原子もつれを消去することで、ユニタリティのキャビティスピンスリッピングを向上させる手法を提案している。従来の $S^{-1/2}$ ではなく $S^{-2/3}$ のスケーリングを達成し、量子メトロロジーにおける原子スピンスリッピングの性能を顕著に向上させている。

ABSTRACT

Deterministic light-induced spin squeezing in an atomic gas is limited by photon shot noise or, equivalently, by atomic state information escaping with the light field mediating the effective atom-atom interaction. We show theoretically that the performance of cavity spin squeezing [M.H. Schleier-Smith, I.D. Leroux, and V. Vuletić, Phys. Rev. A 81, 021804(R) (2010)] can be substantially improved by erasing the light-atom entanglement, and propose several methods for doing so. Accounting for light scattering into free space, quantum erasure improves the scaling of cavity squeezing from S^(-1/2) to S^(-2/3), where S is the total atomic spin.

研究の動機と目的

• 光子のショットノイズと光-原子もつれが引き起こす根本的制限を克服し、決定論的なキャビティスピンスリッピングを実現すること。
• 出力光場からの原子状態のもつれを解消することで、原子スピン部分空間におけるユニタリティの時間発展を可能にすること。
• 量子消去を用いて量子ノイズを抑制することで、スピンスリッピングのスケーリングを従来の $S^{-1/2}$ 限界を越えて向上させること。
• 遠く離れた原子間の光を介した相互作用が、光場に測定可能な情報を残さずに設計可能であることを示すこと。
• 片側キャビティ構成が量子消去と組み合わせられることで、自由空間または対称キャビティ方式に比べて優れたスリッピング性能を示すこと。

提案手法

• 量子消去を用いて出力光場からの原子スピンのもつれを解消し、スリッピングの劣化を引き起こす情報漏れを排除する。
• 高効率の光検出と古典的フィードバックを適用して、有効な光子数状態を生成し、測定記録におけるショットノイズを低減する。
• スピンエコー技術を用いて、プローブ場によって誘発される位相進化を逆転させ、量子ノイズを効果的にキャンセルする。
• サナック干渉計の構成を用いて対称な二面キャビティを有効な片側キャビティに変換し、結合されたモードを分離する。
• 入出力形式を用いて、自由空間モードへの光散乱とデコherenceへの影響を正確にモデル化する。
• 一様スピン状態（CSS）を用いて系を分析し、$S_z$-依存の位相シフトを生成するためのシーリング変換 $U_{\rho,\mu}$ を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光子のショットノイズが引き起こす $S^{-1/2}$ スケーリング限界を超えて、キャビティスピンスリッピングの性能を向上させることは可能か？
• RQ2 測定の反作用を伴わず、光-原子もつれをどれほど消去できるか。これにより、スピン部分空間におけるユニタリティの時間発展が可能になるか？
• RQ3 観測されない自由空間モードへの光散乱が達成可能なスピンスリッピングに与える影響は何か。また、これを緩和できるか？
• RQ4 対称な二面キャビティが、情報漏れを抑制しスリッピングを向上させるために、有効に片側キャビティに変換可能か？
• RQ5 キャビティ-QED系において光場に量子消去を適用した場合、達成可能な最適なスリッピングスケーリングは何か？

主な発見

• 光-原子もつれの量子消去により、原子スピン部分空間におけるユニタリティの時間発展が可能となり、プローブ場ノイズに起因する非ユニタリティデコherenceが排除される。
• スリッピングのスケーリングが $S^{-1/2}$ から $S^{-2/3}$ に向上し、大規模な原子系集合における達成可能なスピンスリッピングの性能が顕著に向上する。
• 最良のスリッピングは、シーリングパラメータ $\mu \approx 12^{1/6}/S^{2/3}$ の下で $\zeta \approx 12^{2/3}/(8S^{2/3})$ に達し、従来の手法に比べ定量的に優れた性能を示す。
• 高効率の光検出と古典的フィードバックを組み合わせることで、有効な光子数状態が生成され、ショットノイズが低減され、より良いスリッピングが実現可能になる。
• スピンエコー技術により、位相進化を逆転させ、量子ノイズを効果的にキャンセルし、コherencyを回復させ、スリッピングの忠実度を向上させる。
• サナック干渉計の構成により、対称な二面キャビティが有効に片側キャビティに変換され、結合されたモードが分離され、非結合ポートへの情報漏れが抑制される。