[논문 리뷰] Generating optical nonlinearity using trapped atoms

Alexei Gilchrist, G. J. Milburn외 2명|ArXiv.org|2003. 05. 28.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 높은 효율의 형광 쉘빙 측정을 통해 포획된 원자를 이용한 near-deterministic 광학 비선형성을 제안하며, 이는 광학 Fock 상태 큐디트에서 보편 해밀토니안 진화를 가능하게 한다. 라만 매개 상호작용 이후 원자 상태 측정을 조건부로 적용함으로써, 조건부 제곱근 수 연산자를 생성하여 높은 정밀도로 비선형 위상 이동과 고양이 상태 준비를 실현한다.

ABSTRACT

We describe a scheme for producing an optical nonlinearity using an interaction with one or more ancilla two-level atomic systems. The nonlinearity, which can be implemented using high efficiency fluorescence shelving measurements, together with general linear transformations is sufficient for simulating arbitrary Hamiltonian evolution on a Fock state qudit. We give two examples of the application of this nonlinearity, one for the creation of nonlinear phase shifts on optical fields as required in single photon quantum computation schemes, and the other for the preparation of optical Schrodinger cat states.

연구 동기 및 목표

• 양자 광학에서 물질의 내재적 광학 비선형성 부족 문제를 해결하기 위해.
• 포획된 원자와 높은 효율 측정을 이용한 광학 비선형성을 결정적으로 생성하는 방법을 개발하기 위해.
• 조건부 원자 상태 측정과 선형 광학의 조합이 큐디트 시스템에서 보편 해밀토니안 진화를 가능하게 하는지 보여주기 위해.
• 광학 큐비트 양자 계산에서 비선형 게이트와 슈뢰딩거 고양이 상태를 구현할 수 있는지의 실현 가능성을 보여주기 위해.

제안 방법

• 고유한 광학 필드와 원자 간의 효과적 상호작용을 유도하기 위해 캐비티 내에서 라만 결합된 이중준위 원자 전이를 사용한다.
• 해밀토니안 $ H = \kappa(a^\dagger\sigma^- + a\sigma^+) $ 를 사용하며, 여기서 $ a^\dagger, a $ 는 필드 연산자이고 $ \sigma^-, \sigma^+ $ 는 원자 상승/내림 연산자이다.
• 상호작용 이후 원자 상태에 대한 조건부 측정을 적용함으로써, 필드 상태에 대한 비선형 변환 $ \Upsilon_g(\tau) = \cos(\tau\sqrt{a^\dagger a}) $ 를 유도한다.
• 순환 전이를 통한 높은 효율의 원자 읽기(예: >99%)에 의존하여 near-deterministic 동작를 실현한다.
• 조건부 필드 진화를 이용하여 잘린 Fock 상태 큐디트에서 임의의 해밀토니안 동역학을 시뮬레이션한다.
• 이 비선형성과 선형 광학의 조합이 Fock 기저에서 보편 양자 계산에 충분함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포획된 원자와 높은 효율 측정을 이용해 결정적인 광학 비선형성을 생성할 수 있는가?
• RQ2 조건부 변환 $ \cos(\tau\sqrt{a^\dagger a}) $ 는 큐디트에서 보편 양자 계산에 충분한가?
• RQ3 이 방법은 비고전적 상태인 광학 슈뢰딩거 고양이 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ4 현재 실험적 설정에서 실용적으로 적용하기 위해 필요한 상호작용 시간과 파rameter는 무엇인가?
• RQ5 광전도측정에 의존하는 측정 기반 방법과 비교했을 때 이 비선형성의 효율성과 정밀도는 어떠한가?

주요 결과

• 높은 효율의 원자 측정을 통해 near-deterministic 비선형 위상 이동을 실현하며, 확률이 1에 수렴한다.
• 조건부 변환 $ \cos(\theta\sqrt{a^\dagger a}) $ 는 큐디트에서 임의의 해밀토니안 진화를 보편적으로 시뮬레이션할 수 있다.
• 코herent 입력 상태의 경우, 조건부 필드 상태는 위상 공간에서 허수축을 중심으로 대칭적으로 국소화된 초위상으로 진화한다. 이는 슈뢰딩거 고양이 상태와 유사하다.
• 수치 분석 결과 $ |\alpha| \gg 1 $ 인 경우 Q-함수 진폭은 $ \phi = \theta/(2|\alpha|) $ 에서 피크를 이룬다. 이는 상태 국소화를 제어 가능하게 한다.
• 일반적인 실험적 파rameter($ g = 4.5 $ MHz, $ \Omega = 30 $ MHz, $ \Delta = 6 $ MHz) 하에서 약 70 MHz의 결합 강도를 달성할 수 있으며, 이는 0.1–5 $\mu$s의 상호작용 시간을 요구한다.
• 상호작용 시간을 짧게 유지할 경우 캐비티 감쇠에 대해 강건하므로 현재의 캐비티 QED 기술로 실현 가능하다.