[논문 리뷰] On the dynamics of two photons interacting with a two-qubit coherent feedback network}

Guofeng Zhang, Yu Pan|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 15.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 66인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 1차원 파동도파이브에 연결된 두 큐비트로 구성된 일관성 피드백 네트워크와 상호작용하는 두 개의 반대 방향으로 전파되는 광자를 다루며, 양자 확률 미분 방정식과 입력-출력 이론을 사용하여 해석적 안정 상태 이중광자 출력 상태를 유도한다. 주요 결과는 출력 상태의 명시적 해석적 형태로, 이는 홍-오우-마נדל 간섭 현상과 약간 안정된 단일광자 장치의 구현을 가능하게 하며, 피드백 루프 내에서 반복 산란을 통해 강화된 비선형 광자-광자 상호작용을 강조한다.

ABSTRACT

The purpose of this paper is to study the dynamics of a quantum coherent feedback network composed of two two-level systems (qubits) driven by two counter-propagating photons, one in each input channel. The coherent feedback network enhances the nonlinear photon-photon interaction inside the feedback loop. By means of quantum stochastic calculus and the input-output framework, the analytic form of the steady-state output two-photon state is derived. Based on the analytic form, the applications on the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer and marginally stable single-photon devices using this coherent feedback structure have been demonstrated. The difference between continuous-mode and single-mode few-photon states is demonstrated.

연구 동기 및 목표

• 1차원 파동도파이브에 연결된 두 큐비트로 구성된 일관성 피드백 네트워크와 상호작용하는 두 개의 반대 방향으로 전파되는 광자의 양자 역학적 동역학을 모델링하고 분석하는 것.
• 양자 확률 미분 방정식과 입력-출력 체계를 사용하여 안정 상태 출력 이중광자 상태의 해석적 형태를 도출하는 것.
• 일관성 피드백 구조를 활용하여 양자 간섭(홍-오우-마넬 효과)과 약간 안정된 단일광자 장치의 응용을 보여주는 것.
• 광자-광자 상호작용의 맥락에서 연속모드와 단일모드 소수의 광자 상태 간의 차이를 명확히 하는 것.

제안 방법

• 1차원 파동도파이브에 연결된 두 큐비트 네트워크를 위한 양자 확률 미분 방정식(QSDEs)을 수학적으로 정의하는 것.
• 입력-출력 프레임워크를 적용하여 광자 방출, 산란 및 큐비트 간 피드백을 모델링하는 것.
• 푸리에 변환과 그린 함수 기법을 사용하여 주파수 도메인에서 유도된 선형 상미분방정식을 푸는 것.
• 장 연산자와 원자 전이에 대한 연립 방정식을 풀어 안정 상태 출력 이중광자 상태를 유도하는 것.
• 해결 과정에서 시간 순서 지수 항을 다루기 위해 시스템의 생성자 행렬의 고유분해를 활용하는 것.
• 립플만-슈윙거 체계와 델타 함수 제약 조건을 사용하여 무한히 과거의 극한(t₀ → -∞)에서 상관 함수를 단순화하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 개의 반대 방향으로 전파되는 광자를 주입받는 두 큐비트 일관성 피드백 네트워크는 안정 상태 이중광자 출력 상태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 연속모드 영역에서 출력 이중광자 상태의 해석적 형태는 무엇이며, 단일모드 근사와는 어떻게 다를까?
• RQ3 일관성 피드백 구조는 홍-오우-마넬 효과와 관련된 강화된 광자-광자 상호작용을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 파uls 형상과 결합 파rameter는 시스템의 자극 확률과 광자 상관관계에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 입력-출력 이론과 양자 확률 미분 방정식을 사용하여 주파수 도메인에서 안정 상태 출력 이중광자 상태를 해석적으로 도출하였다.
• 해결 과정은 피드백 루프가 다중 광자-큐비트 상호작용을 가능하게 하여 효과적인 비선형성을 증가시킴을 드러냈다.
• 특정 조건 하에서 홍-오우-마넬 유사 간섭 현상을 보이며, 출력 상태는 강한 뭉치기 행동을 보였다.
• 연속모드와 단일모드 소수 광자 상태 간의 차이가 스펙트럼 및 시간적 상관 구조에서 해석적으로 입증되었다.
• 최대 원자 자극 확률은 상승 지수 펄스의 경우 γ = 5κ이며, 가우시안 펄스의 경우 Ω = 2 × 1.46κ로 나타나 최적의 결합 영역을 나타낸다.
• 출력 상태 상관 함수에는 δ(ν₁ + ν₂ − ω₁ − ω₂) 항이 포함되어 있어 산란 과정에서 에너지-운동량 보존이 성립함을 확인한다.