[논문 리뷰] Quantum jumps in a two-level atom

Howard M. Wiseman, Gilman E. S. Toombes|ArXiv.org|1999. 03. 05.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 강하게 구동되는 이준태 원자에서의 양자 점프 역학을 조사하며, 복합 원자 모델과 Teich-Mahler의 고유상태 간의 확률적 점프 모델을 비교한다. 스펙트럼 검출 및 두 가지 적응형 호모다인 방법을 사용하여, 저자들은 모든 세 가지 측정 방법이 복합 상태의 점프 행동을 밀도 있게 재현함을 보이며, 오차는 각각 (γ/Ω)²/³ 및 (γ/Ω)²의 주기로 증가함을 확인하여 환경에 의해 유도되는 초선택이 양자 점프를 설명하는 데 기여한다는 것을 지지한다.

ABSTRACT

A strongly-driven ($Ω>> γ$) two level atom relaxes towards an equilibrium state rho which is almost completely mixed. One interpretation of this state is that it represents an ensemble average, and that an individual atom is at any time in one of the eigenstates of $ρ$. The theory of Teich and Mahler [Phys. Rev. A 45, 3300 (1992)] makes this interpretation concrete, with an individual atom jumping stochastically between the two eigenstates when a photon is emitted. The dressed atom theory is also supposed to describe the quantum jumps of an individual atom due to photo-emissions. But the two pictures are contradictory because the dressed states of the atom are almost orthogonal to the eigenstates of $ρ$. In this paper we investigate three ways of measuring the field radiated by the atom, which attempt to reproduce the simple quantum jump dynamics of the dressed state or Teich and Mahler models. These are: spectral detection (using optical filters), two-state jumps (using adaptive homodyne detection) and orthogonal jumps (another adaptive homodyne scheme). We find that the three schemes closely mimic the jumps of the dressed state model, with errors of order $(3/4) (γ/Ω)^{2/3}$, $(1/4) (γ/Ω)^{2}$, and $(3/4) (γ/Ω)^{2}$ respectively. The significance of this result to the program of environmentally-induced superselection is discussed.

연구 동기 및 목표

• 강하게 구동되는 이준태 원자에서 복합 상태 모델과 Teich-Mahler의 양자 점프 모델 간의 모순을 해결하기 위해.
• 측정 방법이 복합 상태 이론이 예측하는 확률적 점프 역학을 얼마나 잘 재현할 수 있는지 테스트하기 위해.
• Teich-Mahler의 평형 상태를 개별 원자가 고유상태 간을 점프하는 집합으로 해석하는 것이 타당한지 평가하기 위해.
• 이러한 결과가 개방 양자 시스템에서 환경에 의해 유도되는 초선택 이론에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• 광학 필터를 사용하여 방출된 필드를 측정하고 점프 유사 전이를 감지하기 위해 스펙트럼 검출을 시행한다.
• 실시간으로 양자 점프를 추적하기 위해 두 상태 점프 검출을 위한 적응형 호모다인 검출을 구현한다.
• 다른 적응형 호모다인 방법을 사용하여 수직 점프 방법을 적용하여 점프 역학을 비교한다.
• 퍼티urbed 오차 추정을 사용하여 각 검출 방법의 복합 상태 모델에 대한 충실도를 분석한다.
• 세 가지 방법에 대해 각각 (3/4)(γ/Ω)²/³, (1/4)(γ/Ω)², 및 (3/4)(γ/Ω)²의 오차 한계를 유도한다.
• 다른 측정 프로토콜 하에서 개별 원자의 확률적 점프 행동을 비교하기 위해 복합 상태 기저를 기준으로 삼는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스펙트럼 검출은 강하게 구동되는 이준태 원자에서 복합 상태 모델의 양자 점프 역학을 재현할 수 있는가?
• RQ2 적응형 호모다인 검출 방법은 복합 상태 이론이 예측하는 확률적 점프를 얼마나 정확하게 모방할 수 있는가?
• RQ3 다양한 검출 방법에 걸쳐 측정된 점프 역학과 이상화된 복합 상태 모델 간의 정량적 오차는 무엇인가?
• RQ4 측정 방법들은 평형 상태를 개별 원자가 고유상태 간을 점프하는 집합으로 해석하는 Teich-Mahler 모델을 지지하는가?
• RQ5 이러한 결과는 양자 측정 이론에서 환경에 의해 유도되는 초선택 이론에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 스펙트럼 검출은 오차가 (3/4)(γ/Ω)²/³ 수준인 복합 상태의 점프 역학을 밀도 있게 모방한다.
• 두 상태 점프 적응형 호모다인 방법은 복합 상태 점프 행동을 재현할 때 오차가 (1/4)(γ/Ω)² 수준에 도달한다.
• 수직 점프 적응형 호모다인 방법 역시 오차가 (3/4)(γ/Ω)² 수준을 보이며, 검출 방법 간의 일관성을 확인한다.
• 결과는 강하게 구동되는 이준태 원자의 평형 상태가 고유상태 간의 연속적인 양자 점프로부터 기인할 수 있으며, Teich-Mahler 모델과 일치한다는 것을 지지한다.
• 작은 오차 항은 측정에 의해 유도되는 반작용이 복합 상태의 역학을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있음을 시사하며, 환경에 의해 유도되는 초선택이 양자 점프를 설명하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 강화한다.