[논문 리뷰] Controllable double quantum state transfers by one topological channel in a frequency-modulated optomechanical array

Lu Qi, Shutian Liu외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 31.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 30인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 주파수 변조된 옵티omechanical 어레이를 제안하며, 이는 수스-슈리퍼-헤거(Su-Schrieffer-Heeger, SSH) 위상수학 모델에 대응하여 단일 위상수학적 에지 채널을 통해 광자 및 진동자 양자 상태 전달 간 제어 가능한 스위칭을 가능하게 한다. 다음 근접 이웃(NNN) 상호작용 강도를 조절함으로써, 왼쪽과 오른쪽 에지 모드 간 광자 상태 전달 또는 내부 모드 간 진동자 상태 전달로의 전환이 가능하며, 동일한 위상수학적 채널을 사용하여 두 경우 모두 높은 정밀도 상태 전달을 달성한다.

ABSTRACT

We propose a scheme to achieve the quantum state transfer via the topological protected edge channel based on a one dimensional frequency-modulated optomechanical array. We find that the optomechanical array can be mapped into a Su-Schrieffer-Heeger model after eliminating the counter rotating wave terms via frequency modulations. By dint of the edge channel of the Su-Schrieffer-Heeger model, we show that the quantum state transfer between the photonic left edge state and the photonic right edge state can be achieved with a high fidelity. Specially, our scheme can also achieve another phononic quantum state transfer based on the same channel via controlling the next-nearest-neighboring interactions between the cavity fields, which is different from the previous investigations only achieving one kind of quantum state transfer. Our scheme provides a novel path to switch two different kinds of quantum state transfers in a controllable way.

연구 동기 및 목표

• 1D 옵티omechanical 어레이에서 강건하고 위상수학적으로 보호된 양자 상태 전달을 달성하기 위해.
• 단일 위상수학적 채널을 사용하여 광자 및 진동자 상태 전달이라는 두 가지 다른 유형의 양자 상태 전달 간 스위칭을 가능하게 하기 위해.
• 다음 근접 이웃(NNN) 상호작용이 위상수학적 에지 상태를 재구성하고 이중 상태 전달 功能을 가능하게 하는 데 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 주파수 변조와 제어 가능한 NNN 상호작용가 존재하는 조건에서 높은 정밀도 상태 전달을 입증하기 위해.

제안 방법

• 옵티omechanical 어레이는 효과적인 수스-슈리퍼-헤거(SSH) 모델로 매핑되도록 주파수 변조되어 위상수학적 보호를 가능하게 한다.
• 시스템 해밀토니안에는 캐비티 장의 드라이빙, 옵티omechanical 결합, NNN 힘을 통한 직접 캐비티-캐비티 결합, 시간에 따라 변하는 주파수 변조가 포함된다.
• 주파수 변조를 통해 반대 방향 항을 제거함으로써, 보호된 영에너지 에지 모드를 가진 위상수학적 SSH 해밀토니안으로 시스템을 기술할 수 있다.
• NNN 힘 강도를 조절하여 위상수학적 에지 상태의 국소화를 제어함으로써 광자 및 진동자 상태 전달 채널 간 전환 가능하다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 NNN 힘과 드라이빙 속도가 다양할 경우의 정밀도 및 상태 전달 동역학을 평가한다.
• 홀수 또는 짝수 위치에 NNN 힘을 적용하는 다양한 구성 조건에서 시스템을 분석하여 이중 상태 전달 메커니즘의 강건성과 제어 가능성 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 주파수 변조된 옵티omechanical 어레인지에서 단일 위상수학적 에지 채널이 두 가지 다른 유형의 양자 상태 전달을 지원할 수 있는가?
• RQ2 다음 근접 이웃(NNN) 힘 강도가 위상수학적 에지 상태의 국소화 및 성격에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NNN 힘 강도를 조절함으로써 광자 및 진동자 상태 전달 간 제어 가능한 전환을 수행할 수 있는가?
• RQ4 주파수 변조와 변화하는 NNN 결합 조건이 존재할 경우 상태 전달의 정밀도는 어떠한가?
• RQ5 NNN 힘의 위치(홀수 또는 짝수 위치)가 이중 상태 전달을 위한 위상수학적 채널의 강건성에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 주파수 변조된 옵티omechanical 어레이는 효과적으로 수스-슈리퍼-헤거(SSH) 모델로 매핑되며, 위상수학적으로 보호된 영에너지 에지 모드를 지원한다.
• NNN 힘이 없을 경우, 시스템은 왼쪽과 오른쪽 광자 에지 모드 간 높은 정밀도의 광자 상태 전달을 가능하게 하며, 작은 드라이빙 속도에서 정밀도가 거의 1에 가까워진다.
• NNN 힘 강도가 임계값을 초과할 경우(예: T = 6), 에지 상태는 내부 위치에 국소화되어 내부 진동자 모드 간 높은 정밀도의 진동자 상태 전달이 가능해진다.
• 동일한 위상수학적 채널을 통해 이중 상태 전달이 가능하다: 낮은 T에서는 광자 전달, 높은 T에서는 진동자 전달이며, Ω = 0.00001 및 T = 6일 경우 정밀도 > 0.99를 달성한다.
• NNN 힘을 짝수 위치에 적용해도 위상수학적 채널은 강건하게 유지되며, 광자 전달 채널을 보존하고 T 조절을 통해 제어 가능한 전환을 가능하게 한다.
• 시간에 따라 NNN 힘 강도를 변조함으로써 상태 전달 유형 간 동적 스위칭이 가능하며, 재구성 가능한 양자 채널 제어를 입증한다.