[论文解读] Generation of maximally entangled states of two cavity modes

Farhan Saif, Mahmoud Abdel‐Aty+3 more|ArXiv.org|May 20, 2006

Quantum Information and Cryptography被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于腔量子电动力学的方案，利用Rydberg修饰的三能级原子在两个腔模之间生成最大纠缠的贝尔态。通过控制原子与腔场的相互作用时间（利用拉比振荡和斯塔克移位），实现了通用量子逻辑门，包括可控-非门和Hadamard门，从而仅用简单的初始态即可完全制备贝尔基矢。

ABSTRACT

In this letter we present a scheme for generating maximally entangled states of two cavity modes which enables us to generate complete set of Bell basis states having rather simple initial state preparation. Furthermore, we study the interaction of a two-level atom with two modes of electromagnetic field in a high Q cavity. The two-level atom acts as a control qubit and the two mode electromagnetic field serves as a target qubit. This simple system of quantum electrodynamics provides us experimentally feasible universal quantum logic gates.

研究动机与目标

• 开发一种实验上可行的方法，用于在两模腔场中制备全部四个贝尔基矢态。
• 利用单个两能级原子作为控制量子比特，实现通用量子逻辑门，特别是CNOT门和Hadamard门。
• 以最小的初始态复杂度实现最大纠缠态的完全制备。
• 展示在高Q值超导腔设置中实现量子算法与协议（如量子隐形传态和量子密码学）的可行性。

提出的方法

• 使用具有两个激发态和一个基态的三能级V型原子，将其制备在两个上能级的叠加态中。
• 采用支持两个正交TEM模（MA和MB）的高Q值超导腔，其频率和光子退相干时间各不相同。
• 施加斯塔克场以移动原子跃迁频率，实现与单个腔模的共振相互作用。
• 控制相互作用时间为拉比周期的一半的奇数倍，以在两个腔模之间产生纠缠。
• 利用拉比振荡周期（T_Rabi = 2π/Ω）来设计条件动力学：仅当原子处于激发态时，才会将一个光子转移到目标模。
• 通过原子与腔模相互作用四分之一拉比周期的时间实现Hadamard门，从而在原子的基态与激发态之间创建叠加态，同时场处于Fock态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用腔内单个两能级原子生成两腔模的全部四个贝尔态？
• RQ2 如何通过控制相互作用时间和斯塔克场，实现原子与两模场之间的通用量子CNOT门？
• RQ3 需要何种初始原子态制备与相互作用序列，才能实现两腔场之间的最大纠缠？
• RQ4 该方案是否能够利用当前的Rydberg原子与腔QED技术实现？
• RQ5 该系统能否作为实现多量子比特量子门与量子通信协议的平台？

主要发现

• 该方案成功利用单个原子和受控的相互作用时间，在两腔模之间生成了全部四个贝尔态。
• 当原子与腔场相互作用时间为拉比周期一半的奇数倍时，实现了最大纠缠，导致两个模中真空与单光子态的等幅叠加。
• 通过四分之一拉比周期的相互作用实现Hadamard门，使原子在基态与激发态之间形成叠加态，同时场处于Fock态。
• CNOT门通过将原子作为控制实现：当原子处于激发态时，根据场态的不同，会引发目标模的相位翻转或光子转移。
• 在理想条件下，贝尔态制备的保真度接近100%，并通过使用51Rb Rydberg态和毫秒量级光子寿命验证了实验可行性。
• 该方案实现了场态交换与腔模之间的纠缠交换，支持可扩展的量子信息处理。