[논문 리뷰] Deterministic preparation of non-classical states of light in cavity-optomechanics

Yuxun Ling, Florian Mintert|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 24.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 47인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 캐비티 광기계 시스템에서 비선형적 광-기계 상호작용을 활용하여 비고전적이고 거의 순수한 광자 상태를 결정적으로 준비하는 프로토콜을 제안한다. 특히 두 광자 Fock 상태와 진공 상태의 양자 얽힘 초위상 상태를 대상으로 한다. 두 배의 기계적 진동수에서의 맞춤형 이음파형 드라이브를 사용함으로써 불필요한 상관관계를 억제하고 고정밀도 상태 준비를 가능하게 하여, 측정 기반의 비결정적 방법의 한계를 극복한다.

ABSTRACT

Cavity-optomechanics is an ideal platform for the generation non-Gaussian quantum states due to the anharmonic interaction between the light field and the mechanical oscillator; but exactly this interaction also impedes the preparation in pure states of the light field. In this paper we derive a driving protocol that helps to exploit the anharmonic interaction for state preparation, and that ensures that the state of the light field remains close-to-pure. This shall enable the deterministic preparation of photon Fock states or coherent superpositions thereof.

연구 동기 및 목표

• 광기계 시스템에서 비고전적 광자 상태를 준비하는 데 있어 비결정적 성격을 극복하기 위해.
• 비선형 결합에 의한 광-기계 얽힘으로 인한 광학 부분계의 혼합 상태 문제를 해결하기 위해.
• 두 광자 Fock 상태 및 진공 상태와의 초위상 상태와 같은 순수하고 비가우시안 광자 상태를 결정적으로 생성하기 위해.
• 불필요한 상관관계를 최소화하면서 삼차 광기계 상호작용을 활용하여 상태 공학을 수행할 수 있는 드라이빙 프로토콜을 설계하기 위해.
• 비선형 해석 및 수치 시뮬레이션을 통해 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 시간에 따라 변화하는 슈뢰딩거 방정식을 사용하여 구동된 광기계 해밀토니안의 페르투르베이티브 해를 유도한다.
• 기계적 진동수의 두 배 주파수에서 조절된 이음파형 드라이브 d(t) = 2iEe^{-i(ωct−ψ)}cos(2ωmt)를 도입하여 이음파동 과정을 가능하게 한다.
• 광학적 및 기계적 자유도를 분리하기 위해 폴라론 변환을 사용하고, 효과적인 동역학을 분석한다.
• 목표 상태의 허용도를 최대화하기 위해 진폭 E와 위상 ψ를 최적화하여 최적의 드라이빙 프로토콜을 구성한다.
• 시간 순서 지수 전개(Magnus 급수)를 사용하여 시간 진화 연산자를 페르투르베이티브하게 해결한다.
• 코herent 및 리드블라드-소산 동역학 조건 하에서 QuTiP 시뮬레이션을 사용하여 프로토콜을 수치적으로 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정 후 선택에 의존하지 않고도 결정적인 드라이빙 프로토콜이 캐비티 광기계 시스템에서 거의 순수한 비고전적 광자 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ2 비선형 광기계 상호작용을 어떻게 활용하여 Fock 상태와 초위상 상태를 생성하면서 엉키기로 인한 혼합도를 최소화할 수 있는가?
• RQ3 소산에 의한 디코herence가 존재하는 조건에서 고정밀도 상태 준비를 위해 최적의 시간에 따라 변화하는 드라이빙 형태는 무엇인가?
• RQ4 삼차 상호작용으로 인해 기계 진동자와 결합된 광장이 상태 준비 과정 동안 얼마나 순수하게 유지될 수 있는가?
• RQ5 이 프로토콜은 두 광자 상태를 넘어서 다중 광자 상태로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 이음파형 드라이빙 프로토콜은 이상적인 코herent 조건에서 두 광자 Fock 상태를 고정밀도로 결정적으로 준비할 수 있으며, 허용도 약 0.95를 달성한다.
• 소산이 없는 조건에서 광학 상태는 거의 순수하게 유지되며 순수도가 0.98를 초과하여 엉키기로 인한 혼합도를 크게 감소시킨다.
• 소산 동역학 조건 하에서의 수치 시뮬레이션 결과, 프로토콜은 중간 수준의 디코herence율(γ_m ≈ 0.01ω_m)에서도 뛰어난 내구성을 유지하며 고정밀도를 유지한다.
• 최적의 드라이빙 파arameter(진폭 E와 위상 ψ)는 목표 상태의 허용도에 큰 영향을 미치며, 최적 값의 좁은 창이 존재한다.
• 페르투르베이티브 접근법은 약한 드라이빙 조건에서 동역학을 정확히 예측하여 프로토콜 설계에 사용된 해석적 프레임워크의 타당성을 검증한다.
• 프로토콜은 진공 상태와 두 광자 Fock 상태의 양자 얽힘 초위상 상태를 성공적으로 생성하였으며, 코herent 영역에서의 허용도는 약 0.93 수준이다.