[論文レビュー] Realization of a quantum walk in momentum space with a Bose-Einstein condensate

Siamak Dadras, Alexander Gresch+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2018

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 13被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、超低温ルビジウム原子の運動量状態を用いて離散時間量子ウォークを実現し、内部ハイパーフィン構造をコイン自由度として用いる。コインおよびシフト操作を位相的に制御することで、運動量空間における頑健な量子ウォークダイナミクスを実現し、干渉効果やウォーク方向の制御可能なバイアス化や逆転を示す。これは古典的ランダムウォークとは対照的に顕著な量子的利点を示している。

ABSTRACT

Randomness is the essence of many processes in nature and human society. It can provide important insights into phenomena as diverse as disease transmission, financial markets, and signal processing. Quantum randomness is intrinsically different from classical stochasticity since it is affected by interference and entanglement. This entanglement makes quantum walks promising candidates for the implementation of quantum computational algorithms and as a detector of quantum behavior. We present a discrete-time quantum walk that uses the momentum of ultra-cold rubidium atoms as the walk space and two internal atomic states as the degree of freedom. We demonstrate the principle features of a quantum walk, contrasting them to the behavior of a classical walk. By manipulating either the walk or coin operator we show how the walk dynamics can be biased or reversed. Our walk offers distinct advantages arising from the robustness of its dynamics in momentum space, and extendability to higher dimensions and many-body regimes.

研究の動機と目的

• 超低温原子をプラットフォームとして用いて、運動量空間における離散時間量子ウォークを実現すること。
• 量子ウォークダイナミクスと古典的ランダムウォークを対比させ、干渉効果およびもつれ効果の特徴を強調すること。
• コインおよびシフト演算子の操作によりウォークダイナミクスを制御し、ウォークの方向をバイアス化または逆転させることの実現。
• 高次元および多粒子量子ウォーク実装へのスケーラビリティと頑健性の検討。

提案手法

• スピン依存性光学格子に閉じ込められたルビジウム-87原子のボーズ＝アインシュタイン凝縮を用いて、運動量空間におけるウォークを定義する。
• 原子の2つの内部ハイパーフィン状態を量子コインとして用い、重ね合わせ状態とユニタリな時間発展を可能にする。
• 制御された操作のシーケンスを適用する：内部状態空間におけるコインの切り替え（ユニタリ回転）と、それに続く運動量シフト（内部状態に応じた条件付きの運動量キック）。
• 時間分解能を有する運動量分布測定を用いてウォークの時間発展を追跡し、量子干渉パターンを観測する。
• コイン演算子の動的制御を実装し、ウォークの進行方向を制御するか、バイアスをかける。
• 超低温原子系の安定性とコherー二ティを活かして、複数ステップにわたる量子コherー二ティを維持する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低温原子を用いて、運動量空間における離散時間量子ウォークをどのように実現できるか？
• RQ2 この系において、量子ウォークダイナミクスの特徴は、古典的ランダムウォークとどのように異なるか？
• RQ3 コインまたはシフト演算子の操作により、ウォークの方向性および対称性を制御可能か？
• RQ4 運動量空間実装における実験的不確実要因に対して、量子ウォークはどの程度頑健か？
• RQ5 この系を高次元および多粒子量子ウォークに拡張する見通しはどの程度か？

主な発見

• ボーズ＝アインシュタイン凝縮を用いた運動量空間における離散時間量子ウォークが、実験的に成功裏に実現され、ウォークの時間発展に対するコherent制御が可能となった。
• 運動量分布に明確な干渉パターンが観測され、これは古典的でないウォークの性質を裏付け、古典的ランダムウォークの拡散とは対照的である。
• コイン演算子の調整により、ウォークの進行方向を逆転させたりバイアス化させたりでき、量子輸送の能動的制御を実現した。
• 光学格子内での運動量状態の安定性のおかげで、ダイナミクスが頑健であり、長寿命の量子コherー二ティが維持された。
• 多モード運動量状態およびエンタングルド原子系への応用が可能であるため、同様の原理が高次元および多粒子系にスケーラブルに適用可能である。
• 観測されたウォークダイナミクスは、古典的ウォークとは対照的に、量子ウォーク特有のボールスティックな拡散を示した。