[论文解读] Generating Large Cats with Nine Lives: Long-Lived Macroscopically Distinct Superposition States in Atomic Ensembles

Wei Qin, Adam Miranowicz+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 85被引用 85

一句话总结

该论文提出一种方法，通过完全量子退相干参量放大，在原子系综中生成并稳定长寿命的宏观薛定谔猫态。通过工程化设计双原子衰变过程，该方案实现了寿命长达20 ms的原子猫态——在类似条件下，比光子猫态长四个数量级——其寿命仅受自旋弛豫和热噪声限制。

ABSTRACT

We propose to create and stabilize long-lived macroscopic quantum superposition states in atomic ensembles. We show that using a fully quantum parametric amplifier can cause the simultaneous decay of two atoms and, in turn, create stabilized atomic Schr\"{o}dinger cat states. Remarkably, even with modest parameters these intracavity atomic cat states can have an extremely long lifetime, up to \emph{4 orders of magnitude} longer than that of intracavity photonic cat states under the same parameter conditions, reaching \emph{tens of milliseconds}. This lifetime of atomic cat states is ultimately limited to \emph{several seconds} by extremely weak spin relaxation and thermal noise. Our work opens up a new way toward the long-standing goal of generating large-size and long-lived cat states, with immediate interests both in fundamental studies and noise-immune quantum technologies.

研究动机与目标

• 解决在噪声环境中稳定大尺寸、长寿命宏观叠加态的根本挑战。
• 克服现有光子猫态方案的局限性，这些方案严重受限于单光子损耗和退相干。
• 利用原子系综的固有鲁棒性——尤其是其可忽略的自旋弛豫——以实现长寿命量子叠加。
• 通过完全量子参量放大工程化设计一种新型双原子衰变过程，模拟光子系统中双光子损耗的稳定效应。
• 与现有腔内光子猫态相比，显著提升猫态寿命，即使在适度的腔参数条件下亦可实现。

提出的方法

• 使用双腔系统，其中泵浦腔受相干驱动，信号腔通过集体耦合g与N个两能级原子系综耦合。
• 通过腔间耦合J实现退相干参量放大，实现三阶过程，通过泵浦光子发射与损耗介导有效双原子衰变。
• 通过绝热消除泵浦模式推导有效主方程，得到诱导双原子同时衰变的耗散过程，衰变速率为κ₂ᵃᵗ = 4χ²/κₚ。
• 通过调节腔和耦合参数，确保单原子衰变速率κ₁ᵃᵗ远小于κ₂ᵃᵗ，从而保持双原子衰变机制的主导地位。
• 使用量子蒙特卡洛模拟验证在真实噪声条件下生成猫态的动力学与稳定性。
• 在2ωq ≈ ωp ≈ ωd且Δ ≫ {gcol, J}条件下应用时间平均和旋转波近似，得到包含χ = g²colJ/Δ²的有效哈密顿量H_avg。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用完全量子参量放大器工程化设计双原子衰变过程，以在原子系综中稳定宏观叠加态？
• RQ2 与传统光子猫态相比，通过利用双原子衰变，原子猫态的寿命能延长多少？
• RQ3 原子系综中猫态寿命的理论极限是什么？自旋弛豫和热噪声如何对其构成限制？
• RQ4 双原子衰变机制能否提供对集体退相干的鲁棒保护，类似于光子系统中双光子损耗的稳定作用？
• RQ5 与现有光子猫态协议相比，该方案在寿命和实验可行性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的方案在仅约16 µs的适度腔衰减时间下，实现了长达20 ms的原子薛定谔猫态寿命，比相同条件下腔内光子猫态的寿命高出约四个数量级。
• 原子猫态的寿命随腔衰减时间增加而增长，当自旋弛豫时间约为40秒时，寿命可延长至约3秒，其上限受残余自旋弛豫和热噪声限制。
• 由退相干参量放大诱导的双原子衰变过程，有效保护猫态免受集体退相干影响，其作用机制类似于光子系统中双光子损耗的稳定效应。
• 通过量子蒙特卡洛轨迹的数值模拟证实了该方案的鲁棒性，显示在数十毫秒内，猫态大小|α|² = 1时制备误差η < 0.01。
• 与现有光子方案相比，该方法在猫态寿命方面实现显著提升：尽管光子猫态在相似大小下仅在极端腔衰减时间（约0.13 s）下实现17 ms寿命，本方案在更实用的约16 µs腔时间下即可实现20 ms寿命。
• 只要单原子衰变速率κ₁ᵃᵗ远小于双原子衰变速率κ₂ᵃᵗ，该方案对单原子衰变具有鲁棒性，而这一条件可通过调节腔和耦合参数实现。