[논문 리뷰] Generation of mesoscopic entangled states in a cavity coupled to an atomic ensemble

Gor Nikoghosyan, Michael Hartmann외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 25.

Photonic and Optical Devices인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 강한 결합된 원자-공진자 시스템을 애드리아틱하게 진화시켜 어두운 상태로 전이함으로써, 광자와 원자 자극 상태의 강건한 얽힌 초위상 상태인 메조스코픽 NOON 상태를 생성하는 캐비티-QED 방법을 제안한다. 핵심 결과는 이 방법의 효율성이 공진자 협업 계수에 따라 지수적으로 증가하며, 실험적으로 구현 가능한 매개변수로 고광자수 NOON 상태를 결정적으로 생성할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

We propose a novel scheme for the efficient production of "NOON states" based on the resonant interaction of a pair of quantized cavity modes with an ensemble of atoms. We show that in the strong-coupling regime the adiabatic evolution of the system tends to a limiting state that describes mesoscopic entanglement between photons and atoms which can easily be converted to a purely photonic or atomic NOON state. We also demonstrate the remarkable property that the efficiency of this scheme increases exponentially with the cavity cooperativity factor, which gives efficient access to high number NOON states. The experimental feasibility of the scheme is discussed and its efficiency is demonstrated numerically.

연구 동기 및 목표

• 양자 미측정 및 양자 정보 분야에서 사용하기 위한 메조스코픽 NOON 상태—한 모드에 N개의 광자, 다른 모드에 0개의 광자를 포함하는 초위상 상태—를 강건하고 결정적으로 생성하는 방법을 개발하는 것.
• 기존 선형광학 기반의 NOON 상태 생성 방법이 겪는 지수적 자원 증가 및 얽힘 붕괴 문제를 해결하는 것.
• 강한 원자-공진자 결합과 애드리아틱 진화를 활용하여 광자와 원자 자극 상태 사이의 고신뢰도 얽힘을 달성하는 것.
• NOON 상태 생성의 효율성이 공진자 협업 계수에 따라 지수적으로 증가하며, 중간 수준의 실험적 매개변수로도 큰 N 상태를 생성할 수 있음을 보여주는 것.

제안 방법

• 고 품질 인코어팅 옵티컬 공진자 내에 있는 여섯 수준의 원자 앙상블을 사용하며, 두 개의 공진자 모드(a 및 b)가 고전적 펌프 필드를 통해 서로 다른 원자 전이에 결합된다.
• 해밀토니안 (1)은 공진적 강한 결합 상호작용을 기술하며, 집합적 원자 연산자와 공진자 모드 사이의 상호작용을 가능하게 하여 짧은 수명을 가진 상태에 대한 인구가 최소화되는 어두운 상태의 형성을 가능하게 한다.
• 시간에 따라 변화하는 펌프 라비 주파수 Ω(t) 하에서 시스템의 애드리아틱 진화는 초기 진공 상태에서 광자 및 원자 포크 상태의 초위상 상태인 어두운 상태로 인구를 전이시킨다.
• 어두운 상태는 Ω(t)/g 비율에 따라 변하는 진폭을 가지는 |n:⟩ 상태들의 코herent 초위상 상태로서 해석적으로 유도되며, 강한 결합 한계에서 메조스코픽적으로 얽힌 상태가 된다.
• 원자 자유도에 대한 최종 사영 측정을 통해 광자-원자 NOON 상태를 고신뢰도로 순수한 광자 NOON 상태로 변환할 수 있다.
• 감쇠 항목을 포함한 시간에 따라 변화하는 슈뢰딩거 방정식을 사용한 수치 시뮬레이션을 통해 시스템 역학을 모델링하며, 여기서는 (m+q+r)Γ 비율로 급속한 급속한 상태 감쇠와 공진자 손실을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 결합된 원자-공진자 시스템을 이용하여, 존재하는 선형광학 기반 방법보다 메조스코픽 NOON 상태를 더 효율적으로 생성할 수 있는가?
• RQ2 강한 결합된 원자-공진자 시스템에서 어두운 상태로의 애드리아틱 진화가 광자와 원자 간의 강건하고 고신뢰도의 얽힘을 이끌어내는가?
• RQ3 NOON 상태 생성의 효율성은 공진자 협업 계수에 따라 어떻게 변화하며, 현실적인 매개변수로도 고-N 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ4 유한한 펌프 펄스 상승 시간과 공진자 감쇠와 같은 실험적 비완전성에 대해 이 방법이 얼마나 내성적인가?

주요 결과

• 시스템은 애드리아틱하게 어두운 상태로 진화하며, 짧은 수명을 가진 상태에 대한 인구가 극히 적은 광자 및 원자 포크 상태의 메조스코픽적으로 얽힌 초위상 상태가 된다.
• NOON 상태 생성의 효율성은 단일 원자 협업 계수에 따라 지수적으로 증가하며, 중간 수준의 협업 계수 값에서도 고-N 상태 생성이 가능하다.
• 수치 시뮬레이션은 M=8개의 원자와 Ω/Γ=10³ 조건에서 어두운 상태 인구가 진화 기간 동안 80% 이상 유지됨을 확인하며, 이는 강건성을 보여준다.
• M=8개의 원자일 경우 공진자 감쇠 매개변수 ∫₀ᵀ n_ph(t) dt ≈ 12.2이며, 이는 g²/(κΓ) ≈ 10 조건에서 원리적 실험의 실현 가능성을 시사한다.
• 급격한 펌프 펄스 조건에서도 이 방법은 효과적이며, Ω(t)가 증가함에 따라 애드리아틱성이 향상되어 고n_ph 상태에 머무는 시간이 감소하고, 따라서 공진자 손실이 최소화된다.
• 이 방법은 확장 가능하며, 동일한 해밀토니안 (1)으로 기술되는 다른 시스템, 예를 들어 포획된 이온 등으로 일반화 가능하다.