[논문 리뷰] Using shortcut to adiabatic passage for the ultrafast quantum state transfer in cavity QED system

Mei Lu, Li-Tuo Shen외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 23.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 캐비티 QED 시스템 내에서 두 개의 삼준태 원자 간에 초고속 양자 상태 전송(QST) 프로토콜을 제안한다. 이는 어ไ obstic passage 기법을 활용한 불변 기반 역공학 기법을 사용한다. 시간에 따라 변화하는 레이저 펄스와 원자-캐비티 결합을 설계함으로써, 전통적인 아디아바틱 방법에 비해 훨씬 짧은 시간 내에 고정밀도 상태 전송을 가능하게 하며, 원자 자발 방출과 광자 유출로 인한 현실적인 디코herence 조건에서도 98.85% 이상의 정밀도를 달성한다.

ABSTRACT

We propose an alternative scheme to implement the quantum state transfer between two three-level atoms based on the invariant-based inverse engineering in cavity quantum electronic dynamics (QED) system. The quantum information can be ultrafast transferred between the atoms by taking advantage of the cavity field as a medium for exchanging quantum information speedily. Through designing the time-dependent laser pulse and atom-cavity coupling, we send the atoms through the cavity with a short time interval experiencing the two processes of the invariant dynamics between each atom and the cavity field simultaneously. Numerical simulation shows that the target state can be ultrafast populated with a high fidelity even when considering the atomic spontaneous emission and the photon leakage out of the cavity field. We also redesign a reasonable Gaussian-type wave form in the atom-cavity coupling for the realistic experiment operation.

연구 동기 및 목표

• 캐비티 QED에서 전통적인 아디아바틱 패assing 기법의 긴 작동 시간 문제를 해결하기 위해.
• 캐비티 장을 동적 매체로 사용하여 두 Λ형 원자 간에 초고속, 고정밀도의 양자 상태 전송을 가능하게 하기 위해.
• 실제로 적용 가능한 제어 필드—특히 가우시안형 시간에 따라 변화하는 결합—을 설계하기 위해.
• 캐비티 내 원자 자발 방출과 광자 유출로 인한 디코herence에 대해 강건성을 확보하기 위해.

제안 방법

• 비아디아바틱 조건에서도 아디아바틱 진동을 보장하는 동적 불변을 구성하기 위해 불변 기반 역공학을 적용한다.
• 시스템을 원하는 진동 경로를 따라 이동시키기 위해 시간에 따라 변화하는 라비 주파수 Ω₁(t), Ω₂(t)와 원자-캐비티 결합 강도 G₁(t), G₂(t)를 설계한다.
• 원자들이 짧은 시간 간격을 두고 순차적으로 주입되어 동시에 상호작용을 피할 수 있도록 두 원자, 두 모드의 캐비티 QED 구조를 사용한다.
• 실험적으로 실현 가능성을 높이기 위해 원자-캐비티 결합에 대해 가우시안형 펄스 프로파일을 적용한다. 사인형 형태보다 더 유리하다.
• 원자 붕괴(Γ)와 광자 유출(κ)을 포함한 리드블라드 항을 가진 마스터 방정식을 해결하여 현실적인 디코herence를 시뮬레이션한다.
• 파arameter 변동에 대해 강건성과 고정밀도를 확보하기 위해 비아벨 기하 위상 프레임워크를 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불변 기반 역공학이 캐비티 QED 시스템 내 두 개의 Λ형 원자 간에 초고속 양자 상태 전송을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 양자 상태 전송의 정밀도가 원자 자발 방출과 광자 유출로 인한 디코herence에 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 가우시안형 원자-캐비티 결합 프로파일이 고정밀도를 유지하면서도 실험적 실현 가능성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 제어 매개변수 ε′ 및 σ의 변동에 대해 프로토콜이 얼마나 강건한가?
• RQ5 광자 유출이 지배적으로 작용하기 전에 고정밀도 전송을 완료하기 위해 필요한 최소 작동 시간은 얼마인가?

주요 결과

• 실제 실험 조건에서 (g, κ, Γ)/2π = (750, 3.5, 2.62) MHz일 때 목표 상태 |sf,0⟩의 정밀도가 98.85%를 초과한다.
• ε′ 및 σ의 매개변수 변동이 ±10%에 이르더라도 정밀도가 97% 이상 유지되어 제어 오차에 대한 강건성을 입증한다.
• 광자 유출(κ/g)에 대한 민감도가 원자 자발 방출(Γ/g)에 비해 더 높으며, 이는 광자 상태에 더 높은 집합 상태가 존재하기 때문이다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 작동 시간이 광자 유출가 발생하기 전에 충분히 짧게 유지됨을 확인하였다.
• 가우시안형 결합 프로파일 G₁(t) 및 G₂(t)가 사인형 형태를 성공적으로 대체하여 실험적 실현 가능성을 향상시켰다.
• 이 프로토콜은 다중 원자 시스템으로 일반화 가능하며, 더 큰 양자 정보 네트워크의 확장 가능성에 기여한다.