[논문 리뷰] Quantum interface for noble-gas spins

Or Katz, Roy Shaham외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 29.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 알칼리 earth 금속 원자와의 스핀 교환 충돌을 이용해 희귀 기체 핵 스핀을 위한 양자 인터페이스를 제안하며, 장수명 공명과 결정적 양자 얽힘을 가능하게 한다. 이 방법은 집합적인 다체 메커니즘을 활용하여 비고전적 진동자를 강한 결합과 가역적 교환을 이루게 하여, 한 시간이 넘는 공명 시간을 갖는 실온에서 작동하는 양자 메모리의 길을 열어 놓는다.

ABSTRACT

An ensemble of noble-gas nuclear spins is a unique quantum system that could maintain coherence for many hours at room temperature and above, owing to exceptional isolation from the environment. This isolation, however, is a mixed blessing, limiting the ability of these ensembles to coherently interface with other quantum systems. Here we show that spin-exchange collisions with alkali-metal atoms render a quantum interface for noble-gas spins without impeding their long coherence times. We formulate the many-body theory of the hybrid system and reveal a collective mechanism that strongly couples the macroscopic quantum states of the two spin ensembles. Despite their stochastic and random nature, weak collisions enable entanglement and reversible exchange of nonclassical excitations in an efficient, controllable, and deterministic process. We outline feasible parameters for reaching the strong-coupling regime, paving the way towards an experimental realization of hour-long quantum memories and entanglement at room-temperature.

연구 동기 및 목표

• 장수명 공명을 보이는 희귀 기체 핵 스핀을 다른 양자 시스템과 결합하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 공명 시간을 떨어지지 않게 하면서도 희귀 기체 스핀을 제어 가능하고 결정적인 방법으로 얽히게 하는 방법을 개발하기 위해.
• 희귀 기체와 알칼리 금속 스핀 집합체 사이의 강한 결합을 가능하게 하여 확장 가능한 양자 메모리 및 정보 처리를 위한 목적으로.
• 실온 환경에서 강한 결합 상태에 도달하기 위한 실현 가능한 실험적 파rameter를 특정하기 위해.

제안 방법

• 희귀 기체 원자와 알칼리 금속 원자 간의 스핀 교환 충돌을 일관된 결합 메커니즘으로 활용한다.
• 두 스핀 집합체로 구성된 하이브리드 시스템을 기술하는 다체 이론 프레임워크를 개발한다.
• macroscopic 양자 상태 간의 강한 결정적 상호작용을 가능하게 하는 집합적 결합 메커니즘을 규명한다.
• 충돌의 확률적 성격을 분석하고, 약한 무작위 상호작용이 비록 그렇더라도 여전히 일관되고 가역적인 비고전적 진동자의 교환을 가능하게 함을 보여준다.
• 실험적으로 접근 가능한 파rameter를 사용하여 강한 결합 상태에 도달하기 위한 조건을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 희귀 기체와 알칼리 금속 원자 간의 스핀 교환 충돌이 장수명 공명 시간을 손상시키지 않으면서도 일관된 양자 인터페이스를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 본질적으로 확률적인 상호작용을 가진 시스템에서 비고전적 진동자의 결정적이고 가역적인 교환을 가능하게 하는 다체 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 실온에서 희귀 기체 스핀 시스템에서 강한 결합 상태에 도달하기 위해 필요한 실험적 파rameter는 무엇인가?
• RQ4 약한 무작위 충돌을 통해 두 개의 서로 다른 스핀 집합체의 매크로스코픽 양자 상태를 어떻게 일관되게 결합할 수 있는가?

주요 결과

• 알칼리 금속 원자와의 스핀 교환 충돌은 희귀 기체 핵 스핀을 위한 실현 가능한 양자 인터페이스를 제공하며, 그 장수명 공명 시간을 떨어지지 않게 한다.
• 집합적인 다체 메커니즘이 두 스핀 집합체의 매크로스코픽 양자 상태 간의 강한 결합을 가능하게 한다.
• 충돌의 확률적 성격에도 불구하고, 시스템은 비고전적 진동자의 결정적이고 가역적인 교환을 지원한다.
• 이론적 분석을 통해 실온 환경에서 강한 결합 상태에 도달하기 위한 실현 가능한 실험적 파rameter를 규명하였다.
• 이 프레임워크는 시간 단위로 작동하는 양자 메모리와 얽힘 시스템의 설계를 가능하게 한다.