[논문 리뷰] Perfectly capturing traveling single photons of arbitrary temporal wavepackets with a single tunable device

Hendra I. Nurdin, M. R. James외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 19.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 임의의 시간적 파aket 형상의 이동 단일 광자를 완벽하게 흡수할 수 있는 조절 가능한 양자 시스템(단일 큐비트 또는 공진기로 실현 가능)에 대한 정확한 시간에 따라 변하는 결합 함수를 유도한다. 양자 확률 미분 방정식과 영동역학 원리를 사용하여, 저자들은 완벽한 흡수가 이론적으로 가능하다는 것을 보여주지만, 이상적인 결합 함수는 t=0에서 특이성을 나타내므로 실제 장치에서는 실용적인 자unc 및 근사가 필요하다.

ABSTRACT

We derive the explicit analytical form of the time-dependent coupling parameter to an external field for perfect absorption of traveling single photon fields with arbitrary temporal profiles by a tunable single input-output open quantum system, which can be realized as either a single qubit or single resonator system. However, the time-dependent coupling parameter for perfect absorption has a singularity at $t=0$ and constraints on real systems prohibit a faithful physical realization of the perfect absorber. A numerical example is included to illustrate the absorber's performance under practical limitations on the coupling strength.

연구 동기 및 목표

• 임의의 시간적 파aket 형상의 단일 광자를 완벽하게 흡수할 수 있는 조절 가능한 단일 입력-단일 출력 양자 시스템을 개발하기.
• 양자 네트워크에서 상태 전송 문제를 해결하기 위해, 임의의 단일 광자 상태를 물질 큐비트 또는 공진기에 완벽하게 흡수할 수 있도록 하기.
• 이전의 모드 매칭 또는 대칭 프로파일 전용 접근 방식의 한계를 극복하기 위해, 완벽한 흡수를 위한 시간에 따라 변하는 결합 매개변수를 해석적으로 결정하기.
• 특히 t=0에서의 결합 함수의 특이성으로 인해 물리적 실현이 어려운 이상 흡수기의 실현 가능성 조사하기.
• 수치 시뮬레이션을 통해 이상 결합 함수의 자르기 및 물리적으로 실현 가능한 근사치의 성능 평가하기.

제안 방법

• 단일 광자 장과 조절 가능한 양자 시스템 간의 상호작용을 모델링하기 위해 양자 확률 미분 방정식(QSDEs)을 사용하여 시스템을 수학적으로 기술하기.
• 출력 광자가 없도록 하는 간섭에 의한 파괴적 간섭을 보장하는 영동역학 원리를 적용하여, 완벽한 흡수로 이어지는 필수적인 결합 함수 유도하기.
• QSDEs를 명시적으로 풀어 완벽한 흡수를 위한 시간에 따라 변하는 결합 매개변수의 해석적 형태를 도출하기.
• 제어 이론에서의 영동역학 원리를 재활용하여 결합 함수를 재유도함으로써 일관성과 더 넓은 이론적 프레임워크를 확보하기.
• t=0에서의 특이성을 자르고 연속적이며 유계인 함수를 사용하여 수치 평가를 위한 실용적인 이상 결합 함수의 근사치 도입하기.
• 지수적으로 감쇠하는 파aket을 가진 수치 예제를 사용하여 시스템 성능을 시뮬레이션하고, 다양한 자르기 시간 T에서의 성능 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 조절 가능한 양자 시스템에서 임의의 시간적 파aket 형상을 가진 단일 광자를 완벽하게 흡수하기 위한 정확한 시간에 따라 변하는 결합 함수는 무엇인가?
• RQ2 이상적인 결합 함수가 왜 t=0에서 특이성을 나타내며, 이로 인해 실제 장치에서의 물리적 실현이 불가능한가?
• RQ3 이상적인 결합 함수를 자르는 것이 실용적 구현에서 흡수 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 영동역학 원리는 개방계 양자 시스템에서 완벽한 흡수를 위한 필요 결합 조절을 체계적으로 도출하는 데 적용될 수 있는가?
• RQ5 유한한 자르기 시간 T가 실제 상황에서 흡수기 시스템의 자극 확률에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• QSDEs와 영동역학 원리를 사용하여, 임의의 단일 광자 파aket에 대한 완벽한 흡수를 위한 정확한 시간에 따라 변하는 결합 매개변수를 해석적으로 도출하였다.
• 이상적인 결합 함수는 t=0에서 특이성을 가지며, 무한대 에너지 요구 조건으로 인해 물리적으로 실현 불가능하다.
• 수치 시뮬레이션 결과, t=0에서의 결합 함수 자르기는 흡수 정확도를 감소시키며, T = 0.001t₁, 0.01t₁, 0.1t₁일 경우 각각 약 0.9957, 0.9575, 0.6037의 정착 상태 자극 확률을 보였다.
• 유한한 시간 창 내에서 흡수가 완료되지 않기 때문에, 자르기 시간 T가 길어질수록 성능이 떨어지는 것이 예상되며, 이는 기대되는 결과이다.
• 변동 가능한 인덕턴스를 가진 마이크로파 초도체 회로 등에서 실현 가능한 단일 큐비트 또는 공진기로 시스템을 실현할 수 있다.
• 유도된 결합 함수는 출력 장에 광자가 존재하지 않음을 보장하며(영출력 동역학), 이상적인 경우 완벽한 흡수를 확인한다.