[논문 리뷰] Deterministic quantum entanglement between macroscopic ferrite samples

Jayakrishnan M. P. Nair, G. S. Agarwal|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 24.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 63인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 약한 압축된 진공장이 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(Josephson parametric amplifier, JPA)에 의해 구동되는 캐비티-마그논 시스템을 사용하여, 강한 비선형성을 요구하지 않고도 두 개의 yttrium iron garnet(YIG) 페라이트 샘플 간에 매크로스코픽 양자 얽힘을 생성하는 결정론적 방법을 제안한다. 이는 고체계에서 매크로스코픽 양자 상태를 확보하는 강건하고 확장 가능한 길을 제공한다.

ABSTRACT

We show how to generate an entangled pair of yttrium iron garnet (YIG) samples in a cavity-magnon system without using any nonlinearities which are typically very weak. This is against the conventional wisdom which necessarily requires strong Kerr like nonlinearity. Our key idea, which leads to entanglement, is to drive the cavity by a weak squeezed vacuum field generated by a flux-driven Josephson parametric amplifier (JPA). The two YIG samples interact via the cavity. For modest values of the squeezing of the pump, we obtain significant entanglement. This is the principal feature of our scheme. We discuss entanglement between macroscopic spheres using several different quantitative criteria. We show the optimal parameter regimes for obtaining entanglement which is robust against temperature. We also discuss squeezing of the collective magnon variables.

연구 동기 및 목표

• 고체계에서 매크로스코픽 양자 얽힘을 생성하기 위해 전통적으로 강한 킬러 유사 비선형성에 의존하는 것에서 벗어나기 위해.
• 강한 비선형성 없이도 약한 비선형성과 압축된 진공 펌프만을 사용하여 두 매크로스코픽 YIG 샘플 간에 결정론적 얽힘을 가능하게 하기 위해.
• 열 노이즈와 얽힘 분해에 대한 강건성을 보장하는 최적의 파rameter 영역를 규명하기 위해.
• 계산된 마그논 모드의 압축을 통해 시스템 내 비고전적 상관관계의 징후를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 YIG 구가 공통의 마이크로파 캐비티 모드를 통해 결합된 캐비티-마그논 시스템을 사용한다.
• 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(JPA)에 의해 생성된 약한 압축된 진공장으로 캐비티를 구동한다.
• 압축된 진공 내의 양자 상관관계를 활용하여 두 매크로스코픽 YIG 샘플 간의 얽힘을 매개한다.
• 마그논-캐비티 결합과 압축된 펌프의 영향을 기술하는 선형화된 해밀토니안을 시스템 모델링에 사용한다.
• 얽힘의 정량적 평가 및 검증을 위해 로그 음성성, 두안 기준 등 여러 얽힘 기준을 적용한다.
• 유한 온도 조건에서의 얽힘 평가를 통해 시스템의 열 노이즈에 대한 강건성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 비선형성을 요구하지 않고도 두 YIG 샘플 간에 매크로스코픽 양자 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ2 YIG-캐비티 시스템에서 의미 있는 얽힘을 달성하기 위해 펌프 장에 어느 정도의 압축이 필요한가?
• RQ3 열 노이즈는 생성된 얽힘에 어떤 영향을 미치며, 어떤 파rameter 영역에서 강건성이 확보되는가?
• RQ4 YIG 샘플의 집합적 마그논 모드는 압축 가능할 수 있으며, 이는 비고전적 행동의 징후인가?
• RQ5 얽힘 품질을 최대화하기 위한 최적의 운영 조건(예: 펌프 전력, 캐비티 품질 인자)은 무엇인가?

주요 결과

• 강한 비선형성이 필요 없이도 약간의 압축만으로도 두 매크로스코픽 YIG 샘플 간에 뚜렷한 얽힘을 달성하였다.
• 이 방법은 고온에서도 강건한 얽힘을 보이며, 열 분해에 의한 얽힘 손실가지지 않는 파rameter 영역를 규명하였다.
• 로그 음성성 및 두안 기준과 같은 여러 정량적 얽힘 기준을 통해 비고전적 상관관계의 존재를 확인하였다.
• YIG 샘플의 집합적 마그논 모드는 측정 가능한 압축을 보이며, 이는 시스템이 비고전적 상태를 생성할 수 있음을 시사한다.
• 이 방법은 결정론적이며 확장 가능하며, JPA에 의해 생성된 압축된 소스와 캐비티 내 YIG 구를 포함한 기존 구성 요소에 의존한다.
• 이론적 분석을 통해 다양한 실험적 파rameter 범위에서 얽힘이 유지됨을 보여주어 실험적 실현 가능성 향상을 입증하였다.