[論文レビュー] Using shortcut to adiabatic passage for the ultrafast quantum state transfer in cavity QED system

Mei Lu, Li-Tuo Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2013

Mechanical and Optical Resonators被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、短絡的アディアバティック・プロセス技術を用いた不変基に基づく逆設計を用いて、キャビティQED系内の二つの三準位原子間で超高速な量子状態転送（QST）プロトコルを提案する。時間依存レーザーパルスおよび原子-キャビティ結合を設計することで、従来のアディアバティック手法に比べてはるかに短い時間で高精度な状態転送を実現でき、原子の自発的放出および光子漏れによる現実的なデコherenceに対しても98.85%を超える精度を達成する。

ABSTRACT

We propose an alternative scheme to implement the quantum state transfer between two three-level atoms based on the invariant-based inverse engineering in cavity quantum electronic dynamics (QED) system. The quantum information can be ultrafast transferred between the atoms by taking advantage of the cavity field as a medium for exchanging quantum information speedily. Through designing the time-dependent laser pulse and atom-cavity coupling, we send the atoms through the cavity with a short time interval experiencing the two processes of the invariant dynamics between each atom and the cavity field simultaneously. Numerical simulation shows that the target state can be ultrafast populated with a high fidelity even when considering the atomic spontaneous emission and the photon leakage out of the cavity field. We also redesign a reasonable Gaussian-type wave form in the atom-cavity coupling for the realistic experiment operation.

研究の動機と目的

• キャビティQEDにおける量子状態転送のための従来のアディアバティック・プロセス手法の長時間作業という課題を克服すること。
• キャビティ場を動的媒体として用いて、二つのΛ型原子間で超高速かつ高精度な量子状態転送を実現すること。
• 実験的に実装可能な制御場を設計すること—特にガウス型の時間依存結合を用いること。
• 原子の自発的放出およびキャビティ内での光子漏れによるデコherenceに対して耐性を持つこと。

提案手法

• 非アディアバティックな条件下でもアディアバティックな進化を保証する動的不変量を構築するために、不変基に基づく逆設計を採用する。
• システムを所望の進化経路に従って駆動するために、時間依存のラビ周波数Ω₁(t)、Ω₂(t)および原子-キャビティ結合強度G₁(t)、G₂(t)を設計する。
• 原子が短い時間遅れをあけて逐次注入される二原子二モードのキャビティQED構成を採用し、同時に相互作用するのを回避する。
• 正弦波形と比較して実験的実装性を高めるために、原子-キャビティ結合にガウス型パルスプロファイルを導入する。
• 原子の崩壊（Γ）および光子漏れ（κ）を含む Lindblad 項を含むマスター方程式を解き、現実的なデコherenceをシミュレートする。
• パrameterの変動に強く、高精度を維持できるように、非アーベル幾何的位相フレームワークを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不変基に基づく逆設計は、キャビティQED系内の二つのΛ型原子間で超高速な量子状態転送を可能にするか？
• RQ2 原子の自発的放出および光子漏れによるデコherenceの影響を受けて、状態転送の精度はどのように変化するか？
• RQ3 ガウス型の原子-キャビティ結合プロファイルは、高精度を維持しつつ実験的実装性を向上させることができるか？
• RQ4 制御パrameter ε′およびσの変動に対して、プロトコルはどの程度耐性を示すか？
• RQ5 光子漏れが支配的になる前に、高精度な転送を達成するために必要な最小作業時間はどの程度か？

主な発見

• 実験的パラメータ (g, κ, Γ)/2π = (750, 3.5, 2.62) MHz の下で、ターゲット状態 |sf,0⟩ の精度が98.85%を超える。
• ε′およびσに±10%のパrameter変動が生じても、精度が97%以上を維持しており、制御誤差に対して耐性があることが示された。
• 光子漏れ（κ/g）に対しては、原子の自発的放出（Γ/g）よりも感度が高いため、光子励起状態の人口が高いためにその影響が顕著に現れる。
• 数値シミュレーションにより、作業時間が光子漏れが顕著に現れる前に転送を完了できるほど短いことが確認された。
• ガウス型の結合プロファイル G₁(t) および G₂(t) は、正弦波形に代わって成功裏に実装され、実験的実用性が向上した。
• このプロトコルは多原子系へ一般化可能であり、より大きな量子情報ネットワークへのスケーラビリティが示唆された。