[논문 리뷰] Unitary Cavity Spin Squeezing by Quantum Erasure

Ian D. Leroux, Monika Schleier-Smith외 2명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2011. 09. 17.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 광자 쇼트 노이즈로 인한 빛-원자 얽힘을 제거함으로써 유니타리 캐비티 스핀 스트레칭을 향상시키는 방법을 제안한다. 이로 인해 이전의 $S^{-1/2}$ 대신 $S^{-2/3}$ 스트레칭 스케일링을 달성하여 양자 미세측정에서 원자 스핀 스트레칭 성능을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Deterministic light-induced spin squeezing in an atomic gas is limited by photon shot noise or, equivalently, by atomic state information escaping with the light field mediating the effective atom-atom interaction. We show theoretically that the performance of cavity spin squeezing [M.H. Schleier-Smith, I.D. Leroux, and V. Vuletić, Phys. Rev. A 81, 021804(R) (2010)] can be substantially improved by erasing the light-atom entanglement, and propose several methods for doing so. Accounting for light scattering into free space, quantum erasure improves the scaling of cavity squeezing from S^(-1/2) to S^(-2/3), where S is the total atomic spin.

연구 동기 및 목표

• 광자 쇼트 노이즈와 빛-원자 얽힘으로 인한 기본적인 제한을 극복하고 결정론적 캐비티 스핀 스트레칭의 성능을 향상시키기 위해.
• 도출된 빛 필드로부터 원자 상태를 분리함으로써 원자 스핀 부분공간에서 유니타리 진동을 가능하게 하기 위해.
• 양자 소거를 통해 양자 노이즈를 억제함으로써 표준 $S^{-1/2}$ 이론을 초월한 스핀 스트레칭 스케일링을 향상시키기 위해.
• 측정 가능한 정보가 빛 필드에 남지 않도록 하여 원거리 원자 간의 빛을 매개로 한 상호작용을 설계할 수 있는지 보여주기 위해.
• 일측 캐비티 구성이 양자 소거와 결합될 경우 자유공간 또는 대칭 캐비티 설계 대비 더 뛰어난 스트레칭 성능을 제공하는지 보여주기 위해.

제안 방법

• 양자 소거를 사용하여 도출된 빛 필드로부터 원자 스핀을 분리함으로써 스트레칭을 떨어뜨리는 정보 누출을 제거한다.
• 고효율 광검출기와 고전적 피드백을 적용하여 효과적인 광자 수 상태를 생성함으로써 측정 기록 내의 쇼트 노이즈를 감소시킨다.
• 프로브 필드에 의해 유도된 위상 진동을 반전시켜 양자 노이즈를 상쇄하기 위해 스핀 에코 기법을 적용한다.
• 사다리꼴 간섭계 구조를 사용하여 대칭적인 양측 캐비티를 효과적으로 일측 캐비티로 전환하여 결합된 필드 모드를 고립시킨다.
• 입력-출력 형식론을 활용하여 자유공간 모드로의 빛 산산이 흩어지는 것을 정확히 모델링하고, 디코herence에 미치는 영향을 분석한다.
• 일관된 스핀 상태(CSS)를 사용하고, $S_z$-의존적 위상 이동을 통해 스핀 스트레칭을 생성하기 위해 $U_{\rho,\mu}$ 변환을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광자 쇼트 노이즈로 인한 제약으로 인해 제한되는 캐비티 스핀 스트레칭 성능을 $S^{-1/2}$ 스케일링 이론을 초월해 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 측정의 역작용 없이 빛-원자 얽힘을 얼마나 효과적으로 소거할 수 있으며, 이로 인해 스핀 부분공간에서 유니타리 진동이 가능해지는가?
• RQ3 관측되지 않는 자유공간 모드로의 빛 산산이 흩어지는 것이 달성 가능한 스핀 스트레칭에 어떤 영향을 미치며, 이를 완화할 수 있는가?
• RQ4 대칭적인 양측 캐비티가 효과적으로 일측 캐비티로 전환될 수 있는가? 이는 정보 누출을 억제하고 스트레칭 성능을 향상시키는 데 기여하는가?
• RQ5 양자 소거가 캐비티-QED 시스템의 빛 필드에 적용되었을 때, 달성 가능한 최적의 스트레칭 스케일링은 무엇인가?

주요 결과

• 빛-원자 얽힘의 양자 소거는 원자 스핀 부분공간에서 유니타리 진동을 가능하게 하여 프로브 필드 노이즈로 인한 비유니타리 디코herence를 제거한다.
• 스트레칭 스케일링은 $S^{-1/2}$에서 $S^{-2/3}$으로 향상되어 대규모 원자 군집에서 달성 가능한 스핀 스트레칭 성능을 크게 향상시킨다.
• 최고로 달성 가능한 스트레칭은 $\zeta \approx 12^{2/3}/(8S^{2/3})$이며, 이는 비율 매개변수 $\mu \approx 12^{1/6}/S^{2/3}$일 때 성립하며, 이는 이전 방법들에 비해 정량적 개선을 보인다.
• 고효율 광검출기와 고전적 피드백을 조합하면 효과적인 광자 수 상태를 생성할 수 있어 쇼트 노이즈를 억제하고 더 나은 스트레칭 성능을 달성할 수 있다.
• 스핀 에코 기법은 위상 진동을 반전시켜 양자 노이즈를 효과적으로 상쇄함으로써 공명성을 복원하고 스트레칭 정밀도를 향상시킨다.
• 사다리꼴 간섭계 구조를 사용하면 대칭적인 양측 캐비티를 효과적으로 일측 캐비티로 전환할 수 있어 결합된 필드 모드를 고립시키고 비결합 포트로의 정보 누출을 억제할 수 있다.