[论文解读] Generation of extended nonlocal entanglement in the micromaser via two quanta non-linear processes induced by dynamic Stark shift

M. S. Ateto|arXiv (Cornell University)|May 7, 2008

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出了一种利用带有非线性介质的微波激射器，通过动态斯塔克移位诱导的双量子跃迁过程，在两个远距离原子之间生成扩展且稳健的量子纠缠。通过将量子信息从腔场传递至原子，该方法实现了无需直接原子-原子相互作用的长程纠缠，即使在系统参数变化时也能实现高关联性。

ABSTRACT

We show that, under certain conditions, the micromaser can act as an effective source of highly correlated atoms. It is possible to create an extended robust entanglement between two successive, initially unentangled atoms passing through a cavity filled with with a nonlinear medium taking into consideration a slight level shift. Information is transfered from the cavity to the atoms in order to build up entanglement. The scheme has an advantage over conventional creation of entanglement if the two atoms (qubits) are so far apart that a direct interaction is difficult to achieve. The interaction of the atoms with the micromaser occurs under the influence of a two-quantum transition process. Interesting phenomena are observed, and an extended robust entangled state is obtained for different values of the system parameters. Illustrative variational calculations are performed to demonstrate the effect within an analytically tractable two-qubit model.

研究动机与目标

• 开发一种利用微波激射器作为量子资源，在两个空间分离的原子之间创建长程纠缠的机制。
• 通过利用腔体介导的纠缠，克服远距离量子比特系统中直接原子-原子相互作用的挑战。
• 在腔量子电动力学设置中，利用非线性过程在真实系统参数下展示稳健的纠缠生成。
• 分析动态斯塔克移位在实现双量子跃迁过程中的作用，从而促进量子信息从腔体向原子的转移。

提出的方法

• 将微波激射器建模为一种非线性腔体，其中介质通过动态斯塔克移位诱导双量子跃迁过程。
• 原子被制备在叠加态，并依次与腔场相互作用，从而实现量子信息的相干交换。
• 采用两量子比特模型中的变分方法对系统进行分析，以可 tractable 的方式描述纠缠动力学。
• 动态斯塔克移位引起能级位移，从而实现有效的双量子跃迁，这对生成非局域关联至关重要。
• 推导出包含非线性耦合项的相互作用哈密顿量，这些项通过腔场介导原子间的纠缠。
• 进行解析计算以评估不同参数区域下的纠缠保真度和鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 微波激射器是否能在无直接相互作用的情况下，为两个远距离原子生成扩展的纠缠？
• RQ2 动态斯塔克移位如何影响双量子跃迁过程，从而促进非局域纠缠的实现？
• RQ3 在耦合强度和失谐等系统参数变化时，所生成的纠缠态的鲁棒性如何？
• RQ4 在非线性介质中，腔场在多大程度上能够介导长程纠缠？
• RQ5 变分模型在多大程度上捕捉了该系统中纠缠生成的关键特征？

主要发现

• 微波激射器成功通过腔体介导的非线性过程，在两个远距离原子之间生成了扩展且稳健的纠缠态。
• 纠缠在一系列系统参数范围内得以保持，表明对扰动具有鲁棒性。
• 动态斯塔克移位实现了有效的双量子跃迁，这对生成非局域关联至关重要。
• 变分模型在解析可处理的框架内确认了该方案的可行性。
• 当直接原子-原子相互作用不可行时，该方案在长距离纠缠方面优于传统方法。
• 从腔场到原子的信息传递导致高关联性，证实了该机制的有效性。