[논문 리뷰] Topological Quantum Coherence in a Symmetry-Protected Superatom

Wei Nie, Zhao-Hui Peng외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 28.

Topological Materials and Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 대칭 보호를 받는 위상적 초원자(superatom)를 제안하며, 이는 캐비티 구동 조건 하에서 표면 상태가 위상 보호를 받는 양자 얽힘을 나타낸다. 이 시스템은 노이즈에 강건한 초방사성-하중방사성 전이를 보이며, 위상 보호를 받는 양자 메모리로 응용 가능성이 있는 위상적 양자 컴퓨팅 및 양자 광학 분야에 기여한다.

ABSTRACT

Exploring the properties and applications of topological quantum states is essential to better understand topological matter. Here, we theoretically study a quasi-one-dimensional topological atom array. In the low-energy regime, the atom array is equivalent to a topological superatom. Driving the superatom in a cavity, we study the interaction between light and topological quantum states. We find that the edge states exhibit topology-protected quantum coherence, which can be characterized from the photon transmission. This quantum coherence helps us to find a superradiance-subradiance transition, and we also study its finite-size scaling behavior. The superradiance-subradiance transition also exists in symmetry-breaking systems. More importantly, it is shown that the quantum coherence of the subradiant edge state is robust to random noises, allowing the superatom to work as a topologically protected quantum memory. We suggest a relevant experiment with three-dimensional circuit QED. Our study may have applications in quantum computation and quantum optics based on topological edge states.

연구 동기 및 목표

• 대칭 보호를 받는 초원자가 형성된 준일차원 원자 배열에서 위상적 양자 상태를 탐색한다.
• 캐비티 구동 조건 하에서 위상적 초원자 내의 빛-물질 상호작용을 연구하고, 광자 전송을 통해 표면 상태의 얽힘을 특성화한다.
• 대칭 보호 및 대칭 위반 시스템 모두에서 초방사성-하중방사성 전이의 존재를 입증한다.
• 양자 메모리 응용을 위해 랜덤 노이즈에 대한 하중방사성 표면 상태 얽힘의 강건성을 평가한다.
• 이론 모델을 실험적으로 실현하고 테스트할 수 있는 실현 가능한 3차원 회로 QED 실험을 제안한다.

제안 방법

• 준일차원 원자 배열의 저에너지 등效 해밀토니안을 위상적 초원자로 모델링한다.
• 캐비티 구동을 도입하여 빛을 위상적 표면 상태와 결합하고, 그로 인한 광자 전송 스펙트럼을 연구한다.
• 광자 전송을 통해 표면 상태의 양자 얽힘을 특성화하고 초방사성-하중방사성 전이를 식별한다.
• 유한 체적 스케일링 분석을 통해 실제 무한하지 않은 시스템에서의 전이 행동을 이해한다.
• 랜덤 노이즈 편향을 도입하여 하중방사성 표면 상태 얽힘의 강건성을 시험한다.
• 이론 모델을 실험적으로 실현하기 위한 3차원 회로 QED 구성을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 구동 조건 하에서 구동된 위상적 초원자의 표면 상태에서 위상 보호를 받는 양자 얽힘을 관찰할 수 있는가?
• RQ2 위상적 초원자의 광자 전송에서 초방사성-하중방사성 전이는 어떻게 나타나는가?
• RQ3 시스템 내 랜덤 노이즈에 대해 하중방사성 표면 상태의 양자 얽힘은 강건한가?
• RQ4 대칭 위반이 있는 시스템에서도 초방사성-하중방사성 전이가 유지되는가?
• RQ5 위상적 초원자는 위상 보호를 받는 양자 메모리의 안정적 플랫폼이 될 수 있는가?

주요 결과

• 위상적 초원자의 표면 상태는 캐비티 시스템에서의 광자 전송을 통해 관측 가능한 위상 보호를 받는 양자 얽힘을 나타낸다.
• 구동된 캐비티 설정에서 광자 전송 스펙트럼을 통해 초방사성-하중방사성 전이가 식별되고 특성화되었다.
• 대칭 위반 시스템에서도 초방사성-하중방사성 전이가 유지되어, 보호된 상태를 넘어서 광범위한 관련성을 지닌다.
• 하중방사성 표면 상태의 양자 얽힘은 랜덤 노이즈에 대해 강건하여, 위상적 양자 메모리 잠재력이 확인되었다.
• 유한 체적 스케일링 분석을 통해 전이 행동이 실험적으로 접근 가능한 시스템에서 안정적이고 측정 가능하다는 것이 드러났다.
• 위상적 초원자를 실현하고 그 얽힘 및 전이 특성을 테스트하기 위한 실현 가능한 3차원 회로 QED 플랫폼이 제안되었다.