[논문 리뷰] Quantum control of atomic systems by time resolved homodyne detection

Holger F. Hofmann, G. Mahler외 1명|arXiv (Cornell University)|1997. 07. 23.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 약한 광학적 방출을 시간 해상도로 균형 잡힌 다이오드 검출을 사용하여 원자 시스템에 대한 피드백 기반 양자 제어 방식을 제안한다. 광자 방출을 Wigner-Weisskopf 이론으로 모델링하고, 그로 인한 역작용을 블로흐 벡터의 양자 확산으로 분석함으로써, 연구는 원자 상태의 진화가 실시간으로 완전히 제어될 수 있음을 보여주며, 불가피한 양자 변동에도 불구하고 공명 상태의 안정화 또는 준비가 가능하다.

ABSTRACT

We investigate the properties of ideal projective balanced homodyne detection measurements on low intensity light fields emitted by individual atomic systems during short time intervals. A model for time resolved photon emissions based on Wigner-Weisskopf theory is used to describe the emission process. The back- action of this emission process is analytically described as a quantum diffusion of the Bloch vector. It is shown that the evolution of the atomic wavefunction can be controlled completely using the results of homodyne detection. This allows the stabilization of a known quantum state or the creation of coherent states by a feedback mechanism. However, the feedback mechanism can never compensate the dissipative effects of quantum fluctuations even though the coherent state of the system is known at all times.

연구 동기 및 목표

• 약한 광학 측정을 통해 원자 양자 상태의 실시간 제어 방법을 개발하기 위해.
• 양자 측정 이론을 통해 광자 방출이 원자 시스템에 미치는 역작용을 이해하기 위해.
• 산산각질한 양자 변동이 존재하는 상황에서도 피드백 메커니즘이 안정화 또는 알려진 양자 상태의 준비에 기여할 수 있는지 조사하기 위해.
• Wigner-Weisskopf 이론을 사용하여 개별 원자에서의 시간 해상도로 방출된 광자를 모델링하여 방출 역학을 정확히 기술하기 위해.

제안 방법

• 단일 원자 시스템이 방출하는 저강도 빛 필드를 짧은 시간 간격 동안 이상적인 프로젝티브 균형 잡힌 다이오드 검출을 통해 측정하기 위해.
• 두 수준 원자에서의 자발적 방출을 기술하기 위해 Wigner-Weisskopf 이론을 사용하여 방출 과정을 모델링하기 위해.
• 측정 기록에서 유도된 측정이 원자 블로흐 벡터에 작용하는 양자 확산 과정으로서의 측정의 역작용을 분석하기 위해.
• 실시간으로 양자 검출 결과를 사용하여 원자 상태를 원하는 목표 상태로 이끄는 피드백 메커니즘을 설계하기 위해.
• 측정된 양자 검출 신호를 사용하여 원자 시스템에 적용되는 제어장을 지속적으로 업데이트함으로써 동적 상태 조작을 가능하게 하기 위해.
• 원자 밀도 행렬의 조건부 진화를 기술하기 위해 확률적 마스터 방정식의 관점에서 피드백 제어를 수립하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간 해상도로 양자 검출이 단일 원자 시스템의 양자 상태 진화를 완전히 제어할 수 있는가?
• RQ2 양자 측정으로 기술된 광자 방출의 역작용이 약한 측정 중 원자 블로흐 벡터에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 양자 변동이 존재하는 상황에서 피드백 메커니즘이 얼마나 잘 안정화 또는 공명 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ4 피드백을 통해 산산각질한 효과를 보완하면서도, 언제나 원자 상태를 알고 있을 수 있는가?

주요 결과

• 광자 방출이 원자 시스템에 미치는 역작용은 측정 기록과 일치하는 블로흐 벡터에 작용하는 양자 확산 과정으로 해석될 수 있다.
• 양자 검출 기반 피드백은 원자 파동함수의 진화를 완전히 제어할 수 있으며, 알려진 양자 상태의 안정화를 가능하게 한다.
• 제안된 피드백 메커니즘을 사용하여 원자 시스템의 공명 상태를 생성하고 유지할 수 있다.
• 지속적인 시스템 상태 지식에도 불구하고 피드백 메커니즘은 양자 변동의 산산각질한 효과를 완전히 보완할 수 없다.
• 측정의 역작용은 시스템 상태를 항상 알고 있음에도 불구하고, 상태 준비 및 안정화의 정밀도를 제한한다.