[論文レビュー] Quantum state engineering by alternate state displacement and photon adding

Mohammed Dakna, Jens Clausen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 1998

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、ビームスプリッタを介した交互な条件付き位相シフトおよび光子追加操作を用いて、単モード放射の任意の純粋な量子状態を工学的に生成する手法を提案する。原子の測定による非ユニタリな状態収束を活用することで、フォック状態の重ね合わせを含む非古典的状態を、スケーラブルな枠組み内で高い制御性と忠実度で準備可能となる。

ABSTRACT

We show that alternate quantum-state displacement and photon adding via conditional measurement on beam splitters can be used for generating arbitrary pure quantum states of single-mode radiation. Designing of schemes for the generation of specific nonclassical quantum states has been a subject of increasing interest. The realization in the laboratory of schemes that have been already proposed, have been one of the most exciting challenges to the researchers. In [1] a method is proposed that offers the possibility of preparing a cavity-field mode undergoing a Jaynes-Cummings dynamics in any superposition of a finite number of Fock states in principle. The method is based on a non-unitary “collapse ” of the state vector of the cavity-field mode via atom ground-state measurement. Before entering the cavity and interacting with the cavity mode in a controlled way, the atoms are prepared in a well-defined superposition of two (Rydberg-)states. After leaving the cavity, the atoms enter a detector for measuring their energies. In this article we propose a scheme for the preparation of a radiation-field

研究の動機と目的

• 単モード放射場において、任意の純粋な量子状態を生成するスケーラブルで、条件付き測定に基づく手法を開発すること。
• 既存の手法の制限を克服し、フォック状態の重ね合わせを高い制御性で準備可能にする。
• ビームスプリッタと原子検出を用いて、非古典的状態生成のための実用的で実験室で実現可能なプロトコルを提供すること。
• エンジニアリングされた原子状態と測定を用いて、ジェインス＝カミングス型ダイナミクスの適用範囲を任意の重ね合わせに拡張すること。

提案手法

• 原子をリュードバーグ状態の重ね合わせに準備することで、ビームスプリッタを介した原子と場の相互作用により、場に対して条件付き位相シフト操作を実行する。
• キャビティ場と相互作用後の原子自由度における条件付き測定を通じて、光子追加を実装する。
• 位相シフトと光子追加のステップを交互に繰り返し、複雑な量子状態を段階的に構築する。
• 原子の基底状態を測定することで、非ユニタリな状態収束を誘発し、場を所望のフォック状態の重ね合わせに射影する。
• 制御された原子-場相互作用と、原子エネルギー状態の測定による後選別に依存して、目的の状態を工学的に生成する。
• 理論的設計は、任意の重ね合わせを可能にするために、適切に調整された原子入力状態を用いた、ジェインス＝カミングスモデルの拡張に基づく。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 条件付き操作を用いて、単モード放射場において任意のフォック状態の重ね合わせを準備できるか？
• RQ2 光子追加と位相シフトをどのように交互に適用することで、精密な量子状態工学を達成できるか？
• RQ3 原子状態の準備と後選別は、非古典的状態生成を可能にする上で果たす役割は何か？
• RQ4 提案された手法は、現在のキャビティ量子電磁力学技術を用いて実験室で実現可能か？

主な発見

• 本手法は、位相シフトと光子追加操作の反復的適用により、単モード放射場の任意の純粋な量子状態を準備可能である。
• 原子における条件付き測定により、非ユニタリな状態収束が実現され、場が所望のフォック状態の重ね合わせに射影される。
• 本手法はスケーラブルであり、現在のキャビティQED技術で理論的に実現可能であり、実験的実装への道筋を提供する。
• リュードバーグ状態の原子を重ね合わせで用いることで、高忠実度の状態準備と場の状態制御が可能となる。
• 理論的解析により、シュレーディンガーの猫状態やフォック状態の重ね合わせといった非古典的状態を生成可能であることが確認された。