[논문 리뷰] Generation of maximally entangled states of two cavity modes

Farhan Saif, Mahmoud Abdel‐Aty외 3명|ArXiv.org|2006. 05. 20.

Quantum Information and Cryptography인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 라이드버그 빛조절을 받는 삼준태 원자를 사용하여 두 캐비티 모드 사이의 최대 얽힘 벨 상태를 생성하는 캐비티 양자 전기역학 방식을 제안한다. 라비 진동과 스타크 시프트를 통해 원자가 캐비티 필드와의 상호작용 시간을 제어함으로써, 유니버설 양자 논리 게이트, 특히 제어-NOT 게이트와 하다르드 게이트를 실현하며, 간단한 초기 상태로 벨 기저의 전체 준비를 가능하게 한다.

ABSTRACT

In this letter we present a scheme for generating maximally entangled states of two cavity modes which enables us to generate complete set of Bell basis states having rather simple initial state preparation. Furthermore, we study the interaction of a two-level atom with two modes of electromagnetic field in a high Q cavity. The two-level atom acts as a control qubit and the two mode electromagnetic field serves as a target qubit. This simple system of quantum electrodynamics provides us experimentally feasible universal quantum logic gates.

연구 동기 및 목표

• 두 모드 캐비티 장에서 네 가지 모두의 벨 기저 상태를 실험적으로 실현 가능한 방법으로 생성하는 것.
• 단일 이중준태 원자를 제어 큐비트로 사용하여 유니버설 양자 논리 게이트—특히 CNOT 및 하다르드 게이트—를 실현하는 것.
• 최소한의 초기 상태 복잡도로 최대 얽힘 상태를 완전히 준비하는 것.
• 고-Q 초전도 캐비티 구조에서 양자 텔레포테이션 및 암호화와 같은 양자 알고리즘 및 프로토콜을 실현할 수 있는지 보여주는 것.

제안 방법

• 두 개의 올린 상태와 한 개의 기본 상태를 가진 삼준태 V-구성 원자를 사용하며, 이 원자는 두 상위 수준의 중첩 상태로 준비된다.
• 고-Q 초전도 캐비티를 사용하여 서로 수직인 두 개의 TEM 모드(MA 및 MB)를 지원하며, 이들은 서로 다른 주파수와 광자 감쇠 시간을 가진다.
• 원자 전이 주파수를 이동시켜, 한 번에 한 모드와 공진하는 스타크 필드를 적용한다.
• 반-라비 주기의 홀수 배수로 상호작용 시간을 제어하여 두 캐비티 모드 사이의 얽힘을 생성한다.
• 라비 진동 주기(T_Rabi = 2π/Ω)를 이용해 조건부 동역학을 설계: 원자가 올라간 상태에 있을 때에만 타겟 모드로 광자가 이동한다.
• 원자가 캐비티 모드와 1/4 라비 주기 동안 상호작용함으로써 하다르드 게이트를 실현하며, 원자의 기본 상태와 올린 상태 사이의 중첩 상태를 생성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 이중준태 원자를 캐비티에 넣어 두 캐비티 모드의 네 가지 모두의 벨 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 상호작용 시간과 스타크 필드 제어를 어떻게 활용하여 원자와 두 모드 장 사이의 유니버설 양자 CNOT 게이트를 설계할 수 있는가?
• RQ3 두 캐비티 장 사이의 최대 얽힘을 달성하기 위해 필요한 초기 원자 상태 준비 및 상호작용 순서는 무엇인가?
• RQ4 현재의 라이드버그 원자 및 캐비티 QED 기술로 이 제안된 방법이 실험적으로 실현 가능한가?
• RQ5 이 시스템은 다중 큐비트 양자 게이트 및 양자 통신 프로토콜을 실현하는 플랫폼으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 이 제안된 방법은 단일 원자와 제어된 상호작용 시간을 통해 두 캐비티 모드의 네 가지 모두의 벨 상태를 성공적으로 생성한다.
• 원자가 반-라비 주기의 홀수 배수 동안 캐비티와 상호작용할 때 최대 얽힘이 달성되며, 이는 두 모드에서 진공 상태와 한 광자 상태의 균형 잡힌 중첩을 이끈다.
• 1/4 라비 주기 상호작용을 통해 하다르드 게이트를 실현하며, 원자의 기본 상태와 올린 상태 사이의 중첩 상태와 함께 장이 포크 상태에 있을 때 상태를 생성한다.
• CNOT 게이트는 원자를 제어로 사용함으로써 실현된다: 원자가 올라간 상태에 있을 경우, 타겟 모드에서 위상 반전 또는 광자 이동이 발생하며, 이는 장의 상태에 따라 달라진다.
• 이deal 조건 하에서 벨 상태 생성의 품질은 거의 100%에 가까운 데, 51Rb 라이드버그 상태와 밀리초 수준의 광자 수명을 통해 실험적 실현 가능성이 입증되었다.
• 이 제안된 방법은 장의 스위칭과 캐비티 모드 간의 얽힘 스위칭을 가능하게 하여, 확장 가능한 양자 정보 처리를 지원한다.