[论文解读] Generation of mesoscopic entangled states in a cavity coupled to an atomic ensemble

Gor Nikoghosyan, Michael Hartmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2011

Photonic and Optical Devices被引用 8

一句话总结

该论文提出一种腔量子电动力学方案，通过将强耦合的原子-腔系统绝热演化至暗态，生成介观尺度的NOON态，即光子与原子激发的鲁棒纠缠叠加态。关键结果是，该方案的效率随腔的协作因子呈指数增长，从而在实验可行参数下实现高光子数NOON态的确定性制备。

ABSTRACT

We propose a novel scheme for the efficient production of "NOON states" based on the resonant interaction of a pair of quantized cavity modes with an ensemble of atoms. We show that in the strong-coupling regime the adiabatic evolution of the system tends to a limiting state that describes mesoscopic entanglement between photons and atoms which can easily be converted to a purely photonic or atomic NOON state. We also demonstrate the remarkable property that the efficiency of this scheme increases exponentially with the cavity cooperativity factor, which gives efficient access to high number NOON states. The experimental feasibility of the scheme is discussed and its efficiency is demonstrated numerically.

研究动机与目标

• 开发一种鲁棒、确定性的方法，用于生成介观NOON态——即一个模式中N个光子、另一个模式中0个光子的叠加态，以应用于量子计量学和量子信息领域。
• 克服现有基于线性光学的NOON态制备方法所面临的指数级资源消耗和退相干挑战。
• 利用强原子-腔耦合与绝热演化，实现光子与原子激发之间的高保真度纠缠。
• 证明NOON态制备的效率随腔协作因子呈指数增长，从而在适中实验参数下实现大N态。

提出的方法

• 系统采用一个六能级原子集合体置于高精细度光学腔中，两个腔模（a和b）通过经典泵浦场分别耦合到不同的原子跃迁。
• 哈密顿量（1）描述了腔模与集体原子算符之间的共振强耦合相互作用，从而形成避免短寿命激发态布居的暗态。
• 在时变泵浦拉比频率Ω(t)作用下，系统的绝热演化将布居从初始真空态转移至一个光子与原子 Fock 态叠加的暗态。
• 暗态在解析上被推导为|n:⟩态的相干叠加，其振幅取决于Ω(t)/g的比值，在强耦合极限下成为介观尺度纠缠态。
• 对原子自由度进行最终投影测量，可将光子-原子NOON态转化为高保真度的纯光子NOON态。
• 数值模拟采用含退相干项的时变薛定谔方程，建模系统动力学，包括激发态以速率(m+q+r)Γ的衰减以及腔模的损耗。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用耦合到腔的原子集合体，比现有线性光学方案更高效地生成介观NOON态？
• RQ2 在强耦合原子-腔系统中，绝热演化至暗态是否能实现光子与原子之间鲁棒且高保真度的纠缠？
• RQ3 NOON态制备的效率如何随腔协作因子变化？该效率是否足以在真实参数下实现高N态？
• RQ4 该方案能否对实验中的不完美因素（如有限泵浦脉冲上升时间与腔模损耗）保持鲁棒性？

主要发现

• 系统绝热演化进入一个暗态，该暗态是光子与原子 Fock 态的介观尺度纠缠叠加态，短寿命激发态布居可忽略不计。
• NOON态制备的效率随单原子协作因子呈指数增长，即使在中等协作因子下也能实现高N态。
• 数值模拟表明，当M=8个原子且Ω/Γ=10³时，暗态布居在整个演化过程中保持在80%以上，证明了其鲁棒性。
• 对于M=8个原子，腔模损耗参数∫₀ᵀ n_ph(t) dt ≈ 12.2，表明在g²/(κΓ) ≈ 10时，原理验证实验是可行的。
• 即使使用陡峭的泵浦脉冲，该方案依然有效，因为随着Ω(t)增大，绝热性增强，系统在高光子数态停留时间减少，从而最小化腔模损耗。
• 该方法具有可扩展性，且可推广至其他系统（如囚禁离子），只要其哈密顿量与（1）式相同。