[论文解读] Magnetic Quantum-Phase Control between Two Entangled Macroscopic Nuclear Ensembles

Wen-Te Liao, Christoph H. Keitel+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2014

Crystallography and Radiation Phenomena被引用 6

一句话总结

本文提出了一种理论方案，利用X射线参量下转换、X射线干涉仪和核共振散射，在室温下实现对两个宏观57FeBO3晶体之间量子纠缠的激发与磁控。该方法实现了长达约100 ns的纠缠相干时间，从而可通过可调磁场对空间分离晶体中的核跃迁实现非机械的量子相位控制。

ABSTRACT

Heralded generation and manipulation of quantum entanglement between two macroscopic and spatially separated crystals at room temperature is theoretically studied. We show that by combining an x-ray parametric down-conversion source and x-ray interferometry with nuclear resonant scattering techniques, two macroscopic crystals hosting Mössbauer nuclei located each on an interferometer arm can be entangled for few tens of nanoseconds. The coherence time of the entanglement state can be prolonged up to values comparable to the lifetime of a single nuclear excited state, on the order of hundred nanoseconds. A non-mechanical magnetic control of the quantum phase between the two spatially separated entangled nuclear crystals is put forward.

研究动机与目标

• 展示一种可扩展的、室温下利用X射线量子光学在宏观核系综之间生成纠缠的方案。
• 克服先前光学光子纠缠方案在相干时间、温度和样品尺寸方面的局限性。
• 实现对空间分离的纠缠核系统之间量子相位的非机械磁控。
• 通过将纠缠耦合至集体核激发和声子激发，探索量子与经典之间的边界。
• 为基于固态晶体中核跃迁的长相干时间量子存储器和量子网络奠定基础。

提出的方法

• 利用金刚石晶体中的X射线参量下转换（XPDC）生成能量为14.4 keV的信号光子与能量为100 eV的闲频光子。
• 采用X射线干涉仪，通过分束器实现双路径叠加态 |TPE⟩ = (|1⟩L|0⟩R + i|0⟩L|1⟩R)/√2 的信号光子。
• 将纠缠的信号光子引导至两个空间分离的57FeBO3晶体中，通过核共振散射在核态中诱导纠缠。
• 在左右晶体上施加可调磁场（BL 和 BR），通过塞曼分裂诱导核能级的能级位移，从而控制纠缠态之间的量子相位。
• 利用核前向散射（NFS）吸收并相干再发射信号光子，从而在传播过程中保持纠缠。
• 采用后选探测方案：在极紫外（EUV）闲频光子探测器中检测到光子点击信号，可确认单个纠缠信号光子的存在，从而实现后选与高保真度态制备。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用X射线量子光学在室温下以后选方式实现两个宏观核系综之间的纠缠？
• RQ2 与原子或光学方案相比，利用核跃迁实现此类纠缠的最大可达相干时间是多少？
• RQ3 能否利用磁场对空间分离的两个纠缠核系统之间的量子相位实现非机械控制？
• RQ4 使用能量更高、穿透能力更强的X射线光子，如何提升在量子存储与网络应用中的可扩展性与鲁棒性？
• RQ5 集体核激发与声子模式在多大程度上可被纠缠，并用于探测量子到经典过渡？

主要发现

• 该方案实现了约1 Hz的后选纠缠生成速率，信号光子通量为每秒2.9×10⁶个光子。
• 纠缠核态的相干时间被延长至约100 ns，与单个57Fe核激发态的寿命相当。
• 磁场控制可实现对两个纠缠晶体之间量子相位的精确非机械调控，其原理为核能级的塞曼分裂。
• 在金刚石（111）晶体中利用XPDC，其二阶非线性极化率 |χ²₁₁₁| ≈ 10⁻²⁰ C/N，可实现高效纠缠生成，适用于XFEL泵浦源。
• 该系统支持约10¹⁸个原子的宏观样品纠缠，显著大于以往基于光学或原子的量子存储器。
• 该装置具备探测meV能量分辨率的声子模式的潜力，为研究量子退相干与宏观量子效应开辟了新途径。