[論文レビュー] Quantum optical implementation of quantum information processing

J. I. Cirac, Luming Duan+1 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2004

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、捕獲イオンと原子集合体を用いた量子光学系を用いた量子情報処理の理論的提案をレビューしている。原子集合体のレーザー操作により、集団的光-物質結合の増幅を介して、スリッピング、ビームスプリッタ、トランスポートーションなどのスケーラブルで高精度の連続変数量子操作が可能であることが示されている。これにより、中程度の透過損失下でもトランスポートーションの忠実度が0.7を超えることが達成された。

ABSTRACT

By popular request we post these old (from 2001) lecture notes of the Varenna Summer School Proceedings. The original was published as J. I. Cirac, L. M. Duan, and P. Zoller, in "Experimental Quantum Computation and Information" Proceedings of the International School of Physics "Enrico Fermi", Course CXLVIII, p. 263, edited by F. Di Martini and C. Monroe (IOS Press, Amsterdam, 2002).

研究の動機と目的

• 量子光学系を用いたスケーラブルな量子情報処理の実現可能性を検討すること。
• 大規模量子系における量子コherenceの維持と高精度の操作を実現する課題に取り組むこと。
• 原子集合体が集団的光-物質結合の増幅を通じて、頑健な量子操作を可能にすることを示すこと。
• 原子集合体のレーザー操作が、量子トランスポートーションやエラー訂正を含む主要な量子情報プロトコルを実現可能であり、実験的に実現可能であることを示すこと。
• 連続変数を用いた完全な量子計算およびエンタングルメント純化へのこれらの技術の拡張における未解決の課題を特定すること。

提案手法

• 特定の4準位およびΛ準位構造を用いた原子集合体のレーザー制御により、集団的量子操作を誘発する。
• 複数のボゾニクスモードを1つの原子集合体内でコherentに操作するために、フェーズキック技術を用いる。
• 電磁場誘発透過（EIT）を活用し、連続変数量子計算に必要なKerr型ハミルトニアンのような非線形操作を可能にする。
• 適切に設計された準位構造とレーザー結合を用いてビームスプリッタおよびスリッピング操作を実現し、連続変数領域におけるユニバーサル量子処理を可能にする。
• 弱い結合キャビティまたはフリー空間構成を用いることで、集団的増幅のおかげで高い信号対雑音比を達成し、強結合または高Qキャビティを必要としない。
• 連続変数量子トランスポートーションが、最適なディスプレースメントゲイン κc2 = 1/√[4]{ηt} を用いることで、透過損失 ηt ∼ 0.2 でも忠実度 F ≥ 0.7 で達成可能であることを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子集合体のレーザー操作は、トランスポートーションやスリッピングといった高精度の連続変数量子操作を達成できるか？
• RQ2 集団的光-物質結合の増幅は、原子集合体におけるスケーラブルな量子情報処理をどのように可能にするか？
• RQ3 原子集合体においてKerrハミルトニアンのような非線形操作を実現する際の実験的制限は何であるか？
• RQ4 現実的な損失条件下でも、原子スピン状態の量子トランスポートーションが古典的限界1/2を超える忠実度で達成可能か？
• RQ5 どのような構成と技術が、連続変数量子情報プロトコルのスケーラブルで近い将来の実験的実現を可能にするか？

主な発見

• 連続変数状態の量子トランスポートーションでは、透過損失が顕著であっても（ηt ∼ 0.2）、忠実度 F ≈ 0.7 を達成しており、古典的ベンチマークの1/2を超える。
• トランスポートーションの最適ディスプレースメントゲインは κc2 = 1/√[4]{ηt} で与えられ、入力コherent状態に依存せずに忠実度を最大化する。
• 原子集合体のレーザー操作により、スリッピング、ビームスプリッタ、フェーズキック操作を含むユニバーサル連続変数操作が、設計された準位構造を通じて可能になる。
• 原子集合体の集団的性のおかげで、集団的操作の信号対雑音比が向上し、弱い結合またはフリー空間の設定でも実現可能になる。
• ユニバーサル連続変数量子計算に不可欠なKerr操作は、集団的増幅が得られないため実装が困難であり、高Qキャビティまたは強結合領域を必要とする。
• 同じプラットフォームを用いて連続変数量子エラー訂正および量子クローンの理論的スキームが実現可能であることが示され、このアプローチの広範な適用可能性が示唆された。