[논문 리뷰] Collective coupling between two ions and a cavity for an enhanced quantum interface

Bernardo Casabone, Konstantin Friebe외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 26.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 5인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 얽힌 이온을 광학 공진통에 결합하여 집합적인 양자 효과를 활용해 부방사성에서 초방사성으로의 전환을 조절함으로써 향상된 양자 정보 전송을 보여준다. 초방사성 상태에 큐비트를 인코딩함으로써, 협동적 방출 역학을 이용해 보다 향상된 광자 매개 양자 인터페이스 성능을 달성한다.

ABSTRACT

We prepare a maximally entangled state of two ions and couple both ions to the mode of an optical cavity. The phase of the entangled state determines the collective interaction of the ions with the cavity mode, that is, whether the emission of a single photon into the cavity is suppressed or enhanced. By adjusting this phase, we tune the ion–cavity system from subto superradiance. We then encode a single qubit in the two-ion superradiant state and show that this encoding enhances the transfer of quantum information onto a photon. These results constitute a proof of principle that cooperative effects can improve the performance of a quantum interface.

연구 동기 및 목표

• 집합적인 양자 효과가 이온-공진통 시스템에서의 양자 인터페이스 성능 향상에 기여하는지 탐색하기 위해.
• 두 이온 간의 얽힘이 공진통 모드에 대한 집합적 결합에 어떻게 영향을 미치는지 조사하기 위해.
• 큐비트를 초방사성 두 이온 상태에 인코딩함으로써 광자 매개 양자 상태 전송 성능이 향상됨을 보여주기 위해.
• 얽힌 상태의 위상 제어가 부방사성과 초방사성 사이의 전환을 가능하게 함을 검증하기 위해.

제안 방법

• 집합적 공진통 결합을 가능하게 하기 위해 두 이온을 최대한 얽힌 벨 상태로 준비한다.
• 이온의 방출 진폭 간 간섭을 제어하기 위해 얽힌 상태의 위상을 조정한다.
• 얽힌 상태의 위상을 변화시켜 공진통 모드에 대한 방출 강도를 부방사성(억제된 방출)에서 초방사성(강화된 방출)으로 전환한다.
• 협동적 방출을 이용해 향상된 양자 상태 전송을 달성하기 위해 큐비트를 두 이온 초방사성 상태에 인코딩한다.
• 공진통으로의 광자 방출을 모니터링하여 부방사성과 초방사성 영역 간 전이 여부를 확인한다.
• 공진통을 통해 광자에 양자 상태 전송의 효율성을 측정함으로써 양자 정보 전송의 정밀도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 이온의 얽힌 상태 위상은 광학 공진통에 대한 집합적 결합에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 두 이온 시스템에서의 집합 효과를 조절하여 부방사성과 초방사성 간 전환 가능성이 있는가?
• RQ3 초방사성 상태에 큐비트를 인코딩하면 광자로의 양자 정보 전송 효율성이 향상되는가?
• RQ4 집합 효과는 양자 인터페이스 성능 향상에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• 두 이온의 얽힌 상태 위상은 공진통 모드와의 집합적 상호작용 강도를 제어하며, 이로써 부방사성과 초방사성 간 전환이 가능해진다.
• 얽힌 상태의 위상을 조절하면 공진통으로의 광자 방출 속도를 실험적으로 제어할 수 있다.
• 초방사성 두 이온 상태에 큐비트를 인코딩하면 광자로의 양자 정보 전송 효율성이 향상된다.
• 이 시스템은 집합 효과가 양자 인터페이스 성능 향상에 기여할 수 있음을 입증하는 원리적 증거를 제공한다.
• 공진통 광자 방출 속도를 모니터링함으로써 부방사성에서 초방사성으로의 전이가 실험적으로 관측된다.
• 결과는 집합적 결합이 이온-공진통 시스템에서의 양자 상태 전송 효율성을 향상시킨다는 것을 확인한다.