[論文レビュー] Quantum interface for noble-gas spins

Or Katz, Roy Shaham+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、アルカリ金属原子とのスピン交換衝突を用いて希ガス核スピンのための量子インターフェースを提案し、長寿命なコhereneと決定的エンタングルメントを実現する。この手法は、多数体の集団的メカニズムを活用して強い結合と非古典的励起の可逆的交換を達成し、1時間を超えるコherene時間を有する常温量子メモリの実現に道を拓く。

ABSTRACT

An ensemble of noble-gas nuclear spins is a unique quantum system that could maintain coherence for many hours at room temperature and above, owing to exceptional isolation from the environment. This isolation, however, is a mixed blessing, limiting the ability of these ensembles to coherently interface with other quantum systems. Here we show that spin-exchange collisions with alkali-metal atoms render a quantum interface for noble-gas spins without impeding their long coherence times. We formulate the many-body theory of the hybrid system and reveal a collective mechanism that strongly couples the macroscopic quantum states of the two spin ensembles. Despite their stochastic and random nature, weak collisions enable entanglement and reversible exchange of nonclassical excitations in an efficient, controllable, and deterministic process. We outline feasible parameters for reaching the strong-coupling regime, paving the way towards an experimental realization of hour-long quantum memories and entanglement at room-temperature.

研究の動機と目的

• 長寿命なコhereneを示す希ガス核スピンと他の量子系をインターフェースする課題に取り組む。
• コhereneを損なわせることなく、希ガススピンを制御可能かつ決定的にエンタングルする手法を開発する。
• 希ガスとアルカリ金属スピン系の間で強い結合を実現し、スケーラブルな量子メモリおよび情報処理を可能にする。
• 常温環境下で強い結合状態に到達するための実験的パラメータを同定する。

提案手法

• 希ガス原子とアルカリ金属原子間のスピン交換衝突を、コherene結合メカニズムとして用いる。
• 2つのスピン系のハイブリッド系を記述するための多数体理論的枠組みを構築する。
• マクロな量子状態間の強力で決定的な相互作用を可能にする集団的結合メカニズムを同定する。
• 衝突の確率的性質を分析し、弱くランダムな相互作用が依然として非古典的励起のコherene的・可逆的交換を可能にすることを示す。
• 実験的にアクセス可能なパラメータを用いて、強い結合状態に到達するための条件を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 希ガスとアルカリ金属原子間のスピン交換衝突は、長寿命なコherene時間を損なわせることなく、コhereneな量子インターフェースを実現できるか？
• RQ2 本質的に確率的な相互作用を有する系において、非古典的励起の決定的かつ可逆的交換を可能にする多数体メカニズムは何か？
• RQ3 常温希ガススピン系において、強い結合状態に到達するための実験的パラメータは何か？
• RQ4 弱くランダムな衝突を介して、2つの異なるスピン系のマクロな量子状態をどのようにコherene的に結合できるか？

主な発見

• アルカリ金属原子とのスピン交換衝突は、希ガス核スピンのための実現可能な量子インターフェースを提供し、長寿命なコherene時間を損なわない。
• 集団的多数体メカニズムにより、2つのスピン系のマクロな量子状態間で強い結合が実現される。
• 衝突の確率的性質にもかかわらず、非古典的励起の決定的かつ可逆的交換が可能である。
• 理論的分析により、常温環境下で強い結合状態に到達するための実現可能な実験的パラメータが同定された。
• このフレームワークにより、1時間以上のコherene時間を有する量子メモリおよびエンタングルメント系を常温で設計可能となった。