[논문 리뷰] Entanglement between two macroscopic fields by coherent atom-mediated exchange of photons

Carlos L. Garrido Alzar, Marcelo F. Santos외 1명|ArXiv.org|2002. 05. 19.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전자기 유도 투명성(EIT) 조건 하에서 85 Rb 원자 영역에서 응집된 원자에 의해 매개되는 광자 교환을 통해 두 개의 매크로스코픽 광선—펌프 및 프로브—이 얽힐 수 있음을 보여준다. 두 개의 연속 변수 얽힘 기준을 사용하여, 저자들은 초기에 상관관계가 없는 상태임에도 불구하고 양자 상관관계가 발생했음을 입증하였으며, 강한 원자 공명으로 인해 최대 40%의 얽힘이 관측되었으며, 이는 강한 매크로스코픽 광장에서 실용적인 양자 정보 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Using two different criteria for continuous variable systems we demonstrated that pump and probe beams became quantum correlated in a situation of Electromagnetically Induced Transparency in a sample of Rb atoms. Our result combines two important features for practical implementations in the field of quantum information processing. Namely, we proved the existence of entanglement between two macroscopic light beams, and this entanglement is intrinsically associated to a strong coherence in an atomic medium.

연구 동기 및 목표

• 강한 매크로스코픽 광선 두 개가 응집적으로 준비된 원자 영역에서 얽힐 수 있는지 조사하기.
• 연속 변수 양자 시스템과 EIT를 조합하여 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 가능성을 탐색하기.
• 강한 원자 공명 조건 하에서 환경과의 결합이 있는 시스템에서도 얽힘이 발생할 수 있는지 확인하기.
• 결과의 강건성을 보장하기 위해 두 개의 독립적인 연속 변수 얽힘 기준을 사용하여 얽힘을 검증하기.

제안 방법

• 펌프 및 프로브 레이저 필드 두 개가 같은 방향으로 진행하는 85 Rb에서의 삼준자리 Λ형 원자 시스템을 모델링하며, 두 레이저 필드를 양자역학적으로 다룬다.
• 계의 헤이젠베르크 운동 방정식을 유도하여, 필드 연산자와 원자 연산자에 대한 12개의 결합된 양자 랭지에프 방정식을 도출한다.
• 정 steady-state 값 주변에서 양자 변동성을 선형화하여, 변동성의 역학을 기술하는 행렬형 선형 스토케스 미분 방정식을 얻는다.
• 두 가지 얽힘 기준을 적용한다: Duan 등이 제안한 기준(DGCZ)과 양의 부분 전치(PPT) 기준으로, 둘 다 사각형 변동성과 상관관계 측정에 기반한다.
• 레이저 필드에 루르티언 스펙트럼 프로파일을 사용하고, 마르코프 근사법을 적용하여 레이저 대역폭과 입력 노이즈를 모델링한다.
• 편광 비틀기 분할기, 동조 검출기, 로컬 온스틸레이터를 사용한 실험 설정을 설계하여 사각형 변동성 측정 및 얽힘 유추를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 EIT 매질 내에서 응집된 원자에 의해 매개되는 광자 교환을 통해 두 매크로스코픽 광선이 얽힐 수 있는가?
• RQ2 EIT 조건에서 강한 원자 공명이 존재할 경우, 환경과의 결합에도 불구하고 강한 광장 간에 측정 가능한 양자 상관관계가 발생하는가?
• RQ3 실제로 순수하지 않은 시스템에서 두 개의 독립적인 연속 변수 얽힘 기준을 사용하여 얽힘이 검증될 수 있는가?
• RQ4 EIT 조건 하에서 펌프 및 프로브 광선 간에 달성 가능한 최대 얽힘 정도는 얼마이며, 무엇이 이를 제한하는가?
• RQ5 계의 이중성 응답은 단위상 사각형 변동성 압축과 양자 노이즈 상관관계 생성과 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• Duan 등이 제안한(DGCZ) 및 양의 부분 전치(PPT) 기준을 모두 사용하여 펌프 및 프로브 광선 간의 얽힘이 확인되었으며, 결과의 강건성이 입증되었다.
• 얽힘 정도는 약 40%에 도달하며, 이는 원자 매질 내에서 두 개의 기본 상태 간의 공명 붕괴 속도에 의해 제한된다.
• 원자 매질이 EIT 조건에서 응집적으로 작용함에 따라, 초기에 상관관계가 없는 필드 간에도 양자 상관관계가 발생한다.
• 이중성 곡선의 전환점에서 단위상 사각형 변동성의 압축이 관측되었으며, 이는 공액 사각형에서 비고전적 노이즈 감소를 나타낸다.
• EIT 조건은 필드 양자 변동성에 측정 가능한 영향을 미치며, 고강도에서 필드 노이즈가 유지된다는 일반적인 믿음과 모순된다.
• 계는 필드 변동성의 통계적 분석을 통해 EIT 공명의 자연 폭을 감지할 수 있게 하며, 원자 매질 내 응집 효과를 민감하게 탐지할 수 있는 수단을 제공한다.