[论文解读] Collective coupling between two ions and a cavity for an enhanced quantum interface

Bernardo Casabone, Konstantin Friebe+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 5被引用 1

一句话总结

该论文通过将两个纠缠离子耦合至光学腔体，展示了增强的量子信息传输，利用集体量子效应实现从亚辐射到强辐射的调控。通过将量子比特编码在强辐射态中，系统借助协同发射动力学，实现了更优的光子介导量子接口性能。

ABSTRACT

We prepare a maximally entangled state of two ions and couple both ions to the mode of an optical cavity. The phase of the entangled state determines the collective interaction of the ions with the cavity mode, that is, whether the emission of a single photon into the cavity is suppressed or enhanced. By adjusting this phase, we tune the ion–cavity system from subto superradiance. We then encode a single qubit in the two-ion superradiant state and show that this encoding enhances the transfer of quantum information onto a photon. These results constitute a proof of principle that cooperative effects can improve the performance of a quantum interface.

研究动机与目标

• 探索离子-腔系统中的协同量子效应，以提升量子接口性能。
• 研究两个离子之间的纠缠如何调制其对腔模的集体耦合。
• 证明将量子比特编码在强辐射双离子态中可增强光子介导的量子态传输性能。
• 验证通过调控纠缠态相位，可实现从亚辐射到强辐射的调控。

提出的方法

• 将两个离子制备在最大纠缠的贝尔态，以实现与单一光学腔模的集体耦合。
• 调节纠缠态的相位，以控制离子发射振幅之间的干涉。
• 通过改变纠缠态相位，将系统从亚辐射（发射受抑制）调制至强辐射（发射增强）。
• 将单个量子比特编码在双离子强辐射态中，以利用协同发射提升量子态传输性能。
• 监测光子进入腔体的发射情况，以验证亚辐射与强辐射区域之间的过渡。
• 通过测量光子通过腔体实现态转移的效率，评估量子信息传输保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 双离子纠缠态的相位如何影响其对光学腔体的集体耦合？
• RQ2 能否通过调控双离子系统中的协同效应，实现从亚辐射到强辐射的过渡？
• RQ3 将量子比特编码在强辐射态是否能提升量子信息向光子传输的效率？
• RQ4 集体效应在多大程度上提升了量子接口的性能？

主要发现

• 双离子纠缠态的相位控制了其与腔模的集体相互作用强度，从而实现从亚辐射到强辐射的调控。
• 通过调节纠缠态相位，可实现对光子进入腔体发射速率的实验调控。
• 将量子比特编码在双离子强辐射态中，可显著提升量子信息向光子的转移效率。
• 该系统展示了协同效应可提升量子接口性能的原理验证。
• 通过监测腔体光子发射速率，实验观测到了从亚辐射到强辐射的转变。
• 结果证实，集体耦合可提升离子-腔系统中量子态转移的效率。