[论文解读] One-atom maser: Non-separable atom pairs

Berthold‐Georg Englert, Pavel Lougovski+2 more|ArXiv.org|Sep 24, 2002

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 4

一句话总结

本文通過分析從腔中射出的兩原子對的約化密度矩陣，研究了一原子微波激射器中連續原子之間的非經典關聯。利用Lewenstein–Sanpera分解，結果顯示在低激發與低溫條件下，兩原子態可顯著非可分離，表明由於腔場記住了第一個原子穿過的訊息，因而產生強烈糾纏。

ABSTRACT

When a one-atom maser is operated in the standard way -- excited, resonant two-level atoms traverse the resonator at random times -- the emerging atoms are entangled with the cavity field. As a consequence, the results of measurements on different atoms tend to be correlated. We show that truly non-classical correlations can be found between two successive atoms by studying the properties of the reduced state of such an atom pair. In particular, we calculate its degree of separability and find parameter ranges in which it is markedly less than unity.

研究动机与目标

• 系統分析一原子微波激射器中兩個連續原子之間的量子關聯，超越經驗關聯數據。
• 研究真正非經典、不可分離的糾纏是否會在與同一腔場順序相互作用的兩個原子的聯合態中產生。
• 量化兩原子態的可分離度作為非經典關聯的衡量指標。
• 識別參數區域——特別是低原子通量與低熱光子數——使強烈糾纏達到最大。

提出的方法

• 使用Jaynes–Cummings動力學建模一原子微波激射器，其中每個原子與量子化腔場共振相互作用。
• 推導兩個原子在緊接相繼穿過腔室後的聯合態的約化密度矩陣，並考慮第一個原子作用後腔場的記憶效應。
• 使用Lewenstein–Sanpera分解計算可分離度 𝒮，以量化兩原子態接近可分離態的程度。
• 以包含布洛赫向量與關聯參數的四參數形式表達兩原子密度矩陣，使可分離性得以解析處理。
• 應用已知的解析方法，根據腔場穩態特性與相互作用強度求解分解參數（p, Λ, 和 𝒮）。
• 針對激發率 𝑁_ex 與熱光子數 𝜈 的各種取值，數值評估可分離度 𝒮 與差異的跡範數 |Δϱ|。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在一原子微波激射器中兩個連續原子的聯合態中識別出不可分離、真正非經典的關聯？
• RQ2 兩原子態的可分離度如何依賴於腔的激發率 𝑁_ex 與熱光子數 𝜈？
• RQ3 哪些參數區域可使一原子微波激射器中連續原子之間的非經典關聯達到最大？
• RQ4 腔場對第一個原子相互作用的記憶效應如何影響第二個原子的糾纏？
• RQ5 熱噪聲與高原子通量在多大程度上會降低一原子微波激射器中原子-原子糾纏？

主要发现

• 在低激發率（𝑁_ex = 1）與零熱光子（𝜈 = 0）條件下，可分離度 𝒮 明顯小於1，顯示強烈的非經典關聯。
• 可分離度 𝒮 隨 𝑁_ex 與 𝜈 減小而降低，顯示低通量與低溫可使連續原子之間的糾纏達到最大。
• 數值結果顯示，1−𝒮 圖中代表不可分離態的暗區在 (𝑁_ex, 𝜈) = (1, 0) 時最大，且隨 𝑁_ex 或 𝜈 增加而減小。
• 差異 |Δϱ| 的跡範數（反映第一個原子導致的場態變化）在低 𝑁_ex 與 𝜈 時最大，與強烈糾纏相關。
• 熱光子的存在（𝜈 = 0.2）會同時降低 |Δϱ| 與不可分離區域，確認熱噪聲會劣化原子間關聯。
• 在某些參數範圍內，兩原子態仍保持不可分離（𝒮 < 1），確認系統在最佳條件下可產生真正非經典關聯。