[논문 리뷰] Dissipative preparation of steady GHZ state for Rydberg atoms with quantum Zeno dynamics

Xi Shao, Jin‐Hui Wu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 25.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 양자 젠젠 역학과 Λ형 원자에서의 자발적 방출을 이용하여, 세 개의 라이드버그 원자에서 안정된 그린버거-혼-자일링거(GHZ) 상태를 준비하기 위한 단순화된 소산적 방법을 제안한다. 강한 연속 결합과 단일 모드 공진기의 활용으로, 필요한 구동 필드의 수를 줄이고 현재의 실험적 조건에서 약 ~98%의 높은 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

Inspired by a recent work [Reiter, Reeb, and Sorensen, Phys. Rev. Lett. {\bf117}, 040501 (2016)], we present a simplified proposal for dissipatively preparing a Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) state of three Rydberg atoms in a cavity. The $Z$ pumping is implemented under the action of the spontaneous emission of $\Lambda$-type atoms and the quantum Zeno dynamics induced by strong continuous coupling. In the meantime, a dissipative Rydberg pumping breaks up the stability of the state $|{ m GHZ}_+ angle$ in the process of $Z$ pumping, making $|{ m GHZ}_- angle$ be the unique steady state of system. Compared with the former scheme, the number of driving fields acting on atoms is greatly reduced and only a single-mode cavity is required. The numerical simulation of the full master equation reveals that a high fidelity $\sim98\%$ can be obtained with the currently achievable parameters in the Rydberg-atom-cavity system.

연구 동기 및 목표

• 더 적은 실험적 자원을 사용하여 세 라이드버그 원자에서 안정된 GHZ 상태를 소산적으로 준비하는 것을 단순화하기 위해.
• Z-펌핑 조건에서 |m GHZ₊⟩ 상태의 불안정성을 해결하기 위해 소산적 역학을 활용하기 위해.
• 이전의 방법들과 비교해 더 적은 구동 필드와 단일 모드 공진기만을 사용하여 고정밀도 GHZ 상태를 준비하기 위해.
• 현재 구현 가능한 라이드버그 원자-공진기 시스템의 파rameter 조건 하에서 이 방법의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 소산적 방법에서 Z-펌핑을 구현하기 위해 Λ형 라이드버그 원자의 자발적 방출을 활용한다.
• 강한 연속 결합을 통해 양자 젠젠 역학을 유도하여 원치 않는 전이를 억제한다.
• 소산적 라이드버그 원자 펌핑에 의존하여 |m GHZ₊⟩ 상태를 불안정하게 하고, |m GHZ₋⟩ 상태를 유일한 안정 상태로 안정화한다.
• 시스템을 설계하여 단일 모드 공진기만 필요하도록 하여 실험적 복잡성을 줄인다.
• 전체 개방 양자 시스템 역학을 기술하기 위해 마스터 방정식 모델을 구축한다.
• 실제 실험 조건 하에서 상태 정밀도를 평가하기 위해 전체 마스터 방정식의 수치 시뮬레이션을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이드버그 원자-공진기 시스템에서 더 적은 구동 필드로도 고정밀도를 유지하면서 GHZ 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ2 소산적 펌핑 조건에서 양자 젠젠 역학이 원하는 |m GHZ₋⟩ 상태의 안정성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 소산적 라이드버그 원자 펌핑이 |m GHZ₊⟩와 같은 경쟁적 GHZ 상태의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 상태 준비 정밀도를 손상시키지 않으면서 필요한 광학 필드의 수를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ5 현재 라이드버그 원자-공진기 시스템의 실험 조건 하에서 제안된 방법으로는 어떤 정밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 현재 실험 조건 하에서 이 방법은 약 98%의 안정된 GHZ 상태 정밀도를 달성한다.
• 소산적 라이드버그 원자 펌핑의 영향으로 |m GHZ₋⟩ 상태가 유일한 안정 상태가 된다.
• 이전의 방법들과 비교해 필요한 구동 필드의 수가 크게 줄었으며, 자발적 방출과 강한 결합만으로도 충분하다.
• 시스템은 단일 모드 공진기로만 작동하여 실험적 구현을 단순화한다.
• 전체 마스터 방정식의 수치 시뮬레이션은 제안된 방법의 강건성과 고정밀도를 확인한다.
• 강한 연속 결합에 의해 유도된 양자 젠젠 역학은 원치 않는 전이를 효과적으로 억제하여 상태 안정성을 향상시킨다.