[论文解读] Entanglement between two macroscopic fields by coherent atom-mediated exchange of photons

Carlos L. Garrido Alzar, Marcelo F. Santos+1 more|ArXiv.org|May 19, 2002

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

本文展示了在电磁诱导透明度（EIT）条件下，通过 85 Rb 原子介质中相干原子介导的光子交换，两束宏观光束——泵浦光束和探测光束——可实现纠缠。利用两种连续变量纠缠判据，作者证明了即使初始状态下两束光无关联，量子关联仍会出现在光束之间，最大可观测到 40% 的纠缠度，这是由于强原子相干性所致，从而为使用高强度、宏观光场的实际量子信息应用提供了可能。

ABSTRACT

Using two different criteria for continuous variable systems we demonstrated that pump and probe beams became quantum correlated in a situation of Electromagnetically Induced Transparency in a sample of Rb atoms. Our result combines two important features for practical implementations in the field of quantum information processing. Namely, we proved the existence of entanglement between two macroscopic light beams, and this entanglement is intrinsically associated to a strong coherence in an atomic medium.

研究动机与目标

• 研究在相干制备的原子介质中，两束强光、宏观光束是否能够实现纠缠。
• 探索将连续变量量子系统与 EIT 结合用于可扩展量子信息处理的可行性。
• 确定在存在环境耦合的情况下，若原子相干性足够强，纠缠是否仍可出现。
• 通过两种独立的连续变量纠缠判据验证纠缠，确保结果的稳健性。

提出的方法

• 将 85 Rb 中的三能级 Λ 型原子系统建模，其中两束共线传播的激光场（泵浦光束和探测光束）被量子力学处理。
• 推导系统的海森堡运动方程，得到描述光场和原子算符的十二个耦合量子朗之万方程。
• 围绕稳态值线性化量子涨落，获得描述涨落动力学的矩阵线性随机微分方程。
• 应用两种纠缠判据：Duan 等人判据（DGCZ）和正部分转置（PPT）判据，两者均基于 quadrature 方差与相关性测量。
• 为激光场采用洛伦兹谱线型，并引入马尔可夫近似以模拟激光线宽和输入噪声。
• 设计实验装置，使用偏振分束器、下混频探测器和本振光源，测量 quadrature 方差并推断纠缠。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 EIT 介质中，两束宏观光束是否可通过相干原子介导的光子交换实现纠缠？
• RQ2 在 EIT 条件下，强原子相干性是否会导致即使存在环境耦合，高强度光场之间仍产生可测量的量子关联？
• RQ3 在现实的非纯系统中，能否通过两种独立的连续变量纠缠判据验证纠缠？
• RQ4 在 EIT 条件下，泵浦光束与探测光束之间可实现的最大纠缠度是多少？其限制因素是什么？
• RQ5 该系统的双稳态响应与相位 quadrature 压缩及量子噪声关联的产生有何关系？

主要发现

• 通过 Duan 等人（DGCZ）判据和正部分转置（PPT）判据均证实了泵浦光束与探测光束之间的纠缠，证明了结果的稳健性。
• 纠缠度最高可达约 40%，其上限受原子介质中两个基态间相干性衰减速率的限制。
• 即使初始时光场无关联，量子关联仍会因 EIT 条件下原子介质介导的相干光子交换而出现。
• 在双稳态曲线的转折点处观测到相位 quadrature 压缩，表明共轭 quadrature 中存在非经典噪声抑制。
• EIT 条件导致光场量子涨落发生可测量的改变，这与‘EIT 在高光强下保持场噪声不变’的普遍认知相矛盾。
• 该系统可通过场涨落的统计分析检测 EIT 共振的自然线宽，为探测原子介质中的相干效应提供一种灵敏手段。