[논문 리뷰] Quantum Information at the Interface of Light with Mesoscopic Objects

Christine A. Muschik, Hanna Krauter외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 15.

Neural Networks and Reservoir Computing인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 실온에서의 원자 증기와 패러데이 효과를 이용한 조절 가능한 빛-물질 인터페이스를 제안하여 고급 양자 기술을 실현한다. 상호작용 역학을 설계함으로써 근접 양자한계의 자기측정, 압축된 빛을 위한 양자 메모리, 소산적 양자 얽힘 생성을 달성하며, 원자 스핀을 기계적 진동자와 연결하여 하이브리드 양자 시스템을 구현한다.

ABSTRACT

This article reviews recent research towards a universal light-matter interface. Such an interface is an important prerequisite for long distance quantum communication, entanglement assisted sensing and measurement, as well as for scalable photonic quantum computation. We review the developments in light-matter interfaces based on room temperature atomic vapors interacting with propagating pulses via the Faraday effect. This interaction has long been used as a tool for quantum nondemolition detections of atomic spins via light. It was discovered recently that this type of light-matter interaction can actually be tuned to realize more general dynamics, enabling better performance of the light-matter interface as well as rendering tasks possible, which were before thought to be impractical. This includes the realization of improved entanglement assisted and backaction evading magnetometry approaching the Quantum Cramer-Rao limit, quantum memory for squeezed states of light and the dissipative generation of entanglement. A separate, but related, experiment on entanglement assisted cold atom clock showing the Heisenberg scaling of precision is described. We also review a possible interface between collective atomic spins with nano- or micromechanical oscillators, providing a link between atomic and solid state physics approaches towards quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 스케일러블 광학 양자 계산 및 장거리 양자 통신을 위한 보편적인 빛-물질 인터페이스를 개발하기 위해.
• 기존의 빛-물질 상호작용의 한계를 극복하기 위해 패러데이 효과를 조절하여 향상된 양자 제어를 실현하기 위해.
• 고정밀 자기측정에 가까운 양자 크래머-라오 한계에 도달하는 엽음 보조 센서링을 실현하기 위해.
• 집단적 원자 스핀을 이용해 압축된 빛 상태의 양자 메모리를 실현하기 위해.
• 원자 스핀을 나노 또는 마이크로 기계 진동자와 결합하여 하이브리드 양자 시스템을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 실온 원자 증기에서의 패러데이 효과를 이용해 빛과 원자 스핀 간의 양자 상호작용을 매개한다.
• 조절 가능한 레이저 펄스를 사용하여 빛-물질 결합의 강도와 역학을 제어하여 최적화된 양자 연산을 실현한다.
• 측정의 반작용을 최소화하고 자기측정에서 하이젠베르크 한계에 접근하기 위해 역작용 회피 측정 기법을 적용한다.
• 소산적 프로토콜을 구현하여 빛과 원자 시스템 간의 얽힘을 생성하고 안정화한다.
• 집단적 원자 스핀을 기계 진동자와 연결하기 위한 이론적 및 실험적 프레임워크를 제안한다.
• 높은 정밀도로 원자 스핀 상태를 모니터링하기 위해 양자 비파괴 측정 기술을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실온 원자 증기에서의 패러데이 상호작용을 조절하여 근접 최적의 양자 센서링 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ2 집단적 원자 스핀 시스템을 이용해 비고전적 빛 상태의 양자 메모리를 어느 정도 실현할 수 있는가?
• RQ3 소산 과정을 설계하여 빛과 물질 간의 얽힘을 생성하고 유지할 수 있는가?
• RQ4 원자 스핀과 기계 진동자 간의 결합이 양자 정보 처리를 위한 새로운 길을 열어주는가?
• RQ5 원자 시스템에서의 엽음 보조 측정이 정밀도에서 하이젠베르크 스케일링을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 실온 원자 증기에서의 패러데이 상호작용은 양자 크래머-라오 한계에 근접하는 역작용 회피 자기측정을 가능하게 한다.
• 향상된 엽음 보조 센서링이 입증되었으며, 정밀도 스케일링이 하이젠베르크 한계에 가까워졌다.
• 원자 군집에서 제어된 빛-물질 상호작용을 통해 압축된 빛 상태의 양자 메모리가 실현되었다.
• 소산적 얽힘 생성이 달성되어 강력하고 안정적인 얽힘 프로토콜이 가능해졌다.
• 별도의 실험에서 엽음 보조 냉각 원자 시계에서 하이젠베르크 스케일링의 정밀도가 입증되었다.
• 나노 또는 마이크로 기계 진동자와 집단적 원자 스핀을 연결하기 위한 이론적 및 실험적 길이 확립되었다.