[论文解读] Transitionless intra-cavity quantum state transfer in optomechanical systems

Hao Zhang, Xue‐Ke Song+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2016

Mechanical and Optical Resonators参考文献 50被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于绝热演化加速的过渡无损量子态转移协议（TQD），在光机械系统中实现快速、鲁棒且高保真度的光腔间量子态转移，无需精确控制演化时间或耦合间隔。即使在机械消相干和非基态初始条件下，该方案仍能实现接近完美的态转移保真度（高达93%），其核心在于采用大失谐的光机械耦合与高斯形时间依赖耦合。

ABSTRACT

Quantum state transfer between cavities is crucial for quantum information processing and quantum computation in optomechanical systems. Here, we present the first scheme for the transitionless intra-cavity quantum state transfer based on transitionless quantum driving (TQD) algorithm in optomechanical systems. We also present a physically feasible system for the TQD process based on largely detuned optomechanical cavity. With the Gaussian time-dependence coupling strengths, our scheme can achieve the perfect quantum state transfer with no undesired transition and reduce the dependence of accurately controlling evolution time and interval of coupling strengths. Our computational results show that the TQD process can be accomplished with no need of the mechanical oscillator in its ground state and is also robust to the mechanical dissipation.

研究动机与目标

• 为解决光机械系统中缓慢且绝热的量子态转移问题，该问题易受时间误差和退相干影响。
• 开发一种非绝热协议，实现完美态转移，且无需机械振子处于其基态。
• 降低对耦合持续时间及耦合脉冲间时间间隔精确控制的敏感性。
• 增强在实际光机械实现中对机械消相干和热噪声的鲁棒性。
• 提供一种物理上可行的方案，利用高度失谐的光机械腔与实验可调的高斯形耦合强度。

提出的方法

• 该协议采用过渡无损量子驱动（TQD）算法加速绝热演化，消除非绝热跃迁。
• 通过高斯包络建模光腔与机械谐振子之间的时变耦合强度，以确保演化过程平滑且可控。
• 在大失谐近似下推导系统哈密顿量，最小化光腔与机械模式之间的直接耦合。
• 利用林德布拉德主方程模拟动力学过程，包含腔模衰减（κ₁, κ₂）和机械阻尼（γₘ），并将热声子数 nₜₕ 作为参数。
• 通过在机械自由度上取迹来评估保真度，目标态 |01⟩ 作为期望输出。
• 通过改变初始声子数和 nₜₕ，以及引入耦合脉冲间时间间隔的小偏差，测试方案的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 过渡无损量子驱动能否成功应用于光机械系统中的腔内量子态转移？
• RQ2 基于TQD的态转移对耦合脉冲序列中的时间误差敏感程度如何？
• RQ3 该协议在多大程度上对机械消相干和热噪声具有鲁棒性？
• RQ4 是否可以在不依赖机械振子处于基态的条件下实现高保真度态转移？
• RQ5 与标准绝热或双交换协议相比，使用高斯形耦合强度是否能提升鲁棒性？

主要发现

• 在腔模衰减（κ₁ = κ₂ = 0.015）和机械阻尼（γₘ = 5×10⁻⁴）存在下，TQD协议的最大保真度可达93%，即使在 nₜₕ = 100 时亦成立。
• 当初始声子数从 |0⟩ 增加到 |3⟩ 且 nₜₕ 从 0 变化至 400 时，保真度仅下降 0.025（从 0.935 降至 0.910），表明对热噪声具有极强鲁棒性。
• 耦合脉冲间时间间隔的微小偏差（Δt = ±0.46）影响可忽略，目标态在腔2中的保真度仍高于99%。
• 该协议可在机械振子不处于基态的条件下实现过渡无损演化，支持在实际热环境下的运行。
• 该方案对演化时间与耦合间隔的精确控制不敏感，克服了绝热与双交换协议的关键局限。
• 采用高斯形时变耦合可实现平滑、快速且高保真度的态转移，且不会诱发非期望跃迁。