[논문 리뷰] Single-shot measurement of a Rydberg superatom via collective photon burst

Chao-Wei Yang, Jun Li외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 21.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 34인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 저손실율의 캐비티에서 집합적 광자 폭발을 이용해 라이드버그 슈퍼아톰 큐비트를 결정론적이고 단일 측정으로 측정함으로써 93.2%의 정밀도를 달성한다. 라이드버그 차단과 마이크로파 라만 펄스를 활용하여 |r₁⟩ 상태에선 순차적 광자 방출을 생성하고 |r₂⟩ 상태에선 방출을 억제함으로써, 4.8 μs 내에 광자 수를 세는 방식으로 고정밀도 상태 구분이 가능해지며, 44%의 섬유 내 수확 효율을 확보한다.

ABSTRACT

With Rydberg dipole interactions, a mesoscopic atomic ensemble may behave like a two-level single atom, resulting in the so-called picture of superatom. It is in potential a strong candidate as a qubit in quantum information science, especially for efficient coupling with single photons via collective enhancement that is essential for building quantum internet to connect remote quantum computers. Previously, preliminary studies have been carried out in demonstrating basic concept of Rydberg superatom, a single-photon source, and entanglement with a single photon, etc. While a crucial element of single-shot qubit measurement is still missing. Here we realize the deterministic measurement of a superatom qubit via photon burst in a single shot. We make use of a low-finesse ring cavity to enhance the atom-photon interaction and obtain an in-fiber retrieval efficiency of 44%. Harnessing dipole interaction between two Rydberg levels, we may either create a sequence of multiple single photons or nothing, conditioned on the initial qubit state. We achieve a single-shot measurement fidelity of 93.2% in 4.8 us. Our work complements the experimental toolbox of harnessing Rydberg superatom for quantum information applications.

연구 동기 및 목표

• 결정론적 단일 측정 방식으로 라이드버그 슈퍼아톰 큐비트를 측정함으로써 실험적 양자 제어의 핵심적 격차를 메우는 것.
• 원자 군집에서 효율이 낮고 비결정론적인 측정의 한계를 극복하여 집합적 광자 방출을 통한 손실 없고 고정밀도의 읽기 기반을 제공하는 것.
• 캐비티 강화 기술과 라이드버그 차단, 마이크로파 제어를 융합하여 단일 측정 내에서 확장 가능하고 고정밀도의 큐비트 측정을 실현하는 것.
• 공학적으로 설계된 광자 폭발을 통해 임의의 기저에서 프로젝션 측정을 실현하여 양자 상태 단층 촬영을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 저손실율 고리 캐비티가 원자-광자 상호작용을 강화하여, 광학적 깊이 1.9를 기반으로 44%의 섬유 내 단일 광자 수확 효율을 달성한다.
• 795 nm와 474 nm 레이저를 통한 이광자 자극을 통해 라이드버그 차단 반경 내에서 집합적 |r₁⟩ 상태로 라이드버그 슈퍼아톰을 준비한다.
• 마이크로파 라만 펄스를 이용해 슈퍼아톰이 |r₁⟩과 |r₂⟩ 상태 사이를 공명적으로 전이함으로써 상태 의존적 광자 방출을 가능하게 한다.
• 반복적인 자극 및 수확 사이클(12회 반복)을 통해 광자 폭발을 생성하며, 단일 모드 섬유 결합 초도전도 나노와이어 단일 광자 탐지기로 검출한다.
• 포켈스 세포를 통한 동적 노이즈 필터링이 배경 노이즈를 억제하여 단일 측정에서의 신호 대 노이즈 비율을 향상시킨다.
• 변동 가능한 마이크로파 펄스를 사용해 임의의 유니터리 변환을 적용하고, 다양한 기저에서 측정함으로써 양자 상태 단층 촬영을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 집합적 광자 방출을 이용해 라이드버그 슈퍼아톰 큐비트를 고정밀도로 단일 측정으로 측정할 수 있는가?
• RQ2 캐비티 강화는 집합적 원자 자극의 수확 효율과 측정 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 마이크로파 라만 펄스를 통해 상태 의존적 광자 폭발 생성이 가능해져 결정론적 측정이 실현 가능한가?
• RQ4 |r₁⟩과 |r₂⟩ 슈퍼아톰 상태를 구분할 때 단일 측정의 가시 정밀도는 어느 정도 달성 가능한가?
• RQ5 공학적으로 설계된 광자 폭발을 통해 임의의 기저 측정이 양자 상태 단층 촬영을 위해 실현 가능한가?

주요 결과

• 상태 준비 정밀도를 보정한 후 단일 측정 정밀도는 93.2%에 도달하며, |r₂⟩ 상태에선 94.6%, |r₁⟩ 상태에선 91.8%의 정밀도를 기록한다.
• 저손실율 캐비티를 사용함으로써 섬유 내 단일 광자 수확 효율이 44%로 향상되었으며, 이는 자유공간 수확(최대 21%)보다 뛰어나다.
• |r₁⟩ 상태에선 평균 2.63개의 광자를 4.8 μs 내에 방출하는 반면, |r₂⟩ 상태에선 방출을 0.19개로 억제하여 명확한 구분이 가능하다.
• 광자 방출 통계는 8.2%의 0광자 사건을 보이며, |r₁⟩ 상태에서 파oisson 유사 분포를 보이며, |r₂⟩ 상태에선 1.2%의 어두운 카운트 노이즈로 잔여 방출이 발생한다.
• 중첩 상태 (|r₁⟩+|r₂⟩)/√2 및 0.88|r₁⟩+0.47|r₂⟩의 양자 상태 단층 촬영 결과 정밀도는 각각 89.3%와 88.6%를 기록한다.
• 측정된 원시 정밀도는 91.3%이며, 주요 정밀도 저하 원인은 마이크로파 펄스의 정밀도 부족과 기계적 위상 불안정성에 기인한다.