[论文解读] Quantum catalysis in cavity quantum electrodynamics

A. de Oliveira, Martí Perarnau-Llobet+2 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 66被引用 4

一句话总结

本文在 Jaynes-Cummings 模型中展示了确定性量子催化，其中两能级原子作为催化剂，在不被消耗的情况下于腔中生成非经典光。通过调控原子态和相互作用时间，腔态演化为非经典态——表现为亚泊松统计或 Wigner 负性——而原子精确返回初始态，实现可重复使用。

ABSTRACT

Catalysis plays a key role in many scientific areas, most notably in chemistry and biology. Here we present a catalytic process in a paradigmatic quantum optics setup, namely the Jaynes-Cummings model, where an atom interacts with an optical cavity. The atom plays the role of the catalyst, and allows for the deterministic generation of non-classical light in the cavity. Considering a cavity prepared in a ``classical'' coherent state, and choosing appropriately the atomic state and the interaction time, we obtain an evolution with the following properties. First, the state of the cavity has been modified, and now features non-classicality, as witnessed by sub-Poissonian statistics or Wigner negativity. Second, the process is catalytic, in the sense that the atom is deterministically returned to its initial state exactly, and can be re-used multiple times. What is more, we also show that our findings are robust under dissipation and can be applied to scenarios featuring cavity loss and atomic decay. Finally, we investigate the mechanism of this catalytic process, in particular highlighting the key role of correlations and quantum coherence.

研究动机与目标

• 展示此前仅在抽象资源理论中研究的量子催化，可在真实的量子光学平台中实现。
• 探究两能级原子是否可作为催化剂，在不被永久改变的情况下于腔中生成非经典态。
• 识别促成该催化过程的量子资源——特别是关联和量子相干性。
• 探索催化非经典性生成的条件，包括对初始腔态和原子态的依赖性。
• 评估在腔 QED 或囚禁离子系统中实验实现的潜力。

提出的方法

• 利用 Jaynes-Cummings 哈密顿量建模两能级原子与单模光学腔之间的相互作用。
• 施加一个幺正演化 $ U = \exp(-iH_{\text{SC}}\tau) $，作用于精心选择的相互作用时间 $ \tau $，确保原子精确返回初始态。
• 通过 $ g^{(2)} < 1 $（亚泊松统计）或 Wigner 负性分析腔的最终态，以检测非经典性。
• 采用量子态层析与关联分析验证催化性质并量化非经典性。
• 通过分析原子能级基中的叠加态，研究催化剂中量子相干性的作用。
• 进行数值模拟，限制相互作用强度 $ g\tau \leq 100 $，以探索催化参数空间。

Figure 1: Quantum catalysis in the Jaynes-Cummings model. (a) An atom (the catalyst C ) interacts with a single-mode optical cavity (the system S ), initially prepared in a “classical” coherent state. (b) We consider the evolution $U$ over a well-chosen time interval (from $t=0$ to $t=\tau$ ) such t

实验结果

研究问题

• RQ1 两能级原子能否在腔 QED 系统中作为确定性催化剂，生成非经典光？
• RQ2 此类催化非经典性生成所需的量子资源——关联或相干性——是什么？
• RQ3 初始原子态如何影响催化生成腔中非经典性的能力？
• RQ4 该催化过程对不同初始腔态（包括相干态和 Fock 态）是否具有鲁棒性？
• RQ5 该催化协议能否推广以增强腔中已有的非经典性？

主要发现

• 对于所有 $ \alpha \in (0,2] $，腔态实现亚泊松统计（$ g^{(2)} < 1 $），证实了非经典性的生成。
• 相互作用后，原子精确返回初始态，满足确定性催化条件。
• 在 $ g\tau \leq 100 $ 的参数范围内，非经典性生成具有普遍性，且对于低能相干态，$ g^{(2)} $ 接近零。
• 纯原子态无法催化生成非经典性，因其缺乏系统-催化剂关联。
• 催化所允许的原子态集合包括近乎纯态，表明其对初始腔态具有强依赖性。
• 当从具有中等非经典性的态开始时，催化可增强腔中已有的非经典性，但无法超越 Fock 态的极限。

Figure 2: First illustrative example. Catalytic process for generating non-classicality in the cavity, as captured by the second-order auto-correlation function. Its time evolution, $g^{(2)}(t):=g^{(2)}(\sigma_{\textsf{S}}(t))$ , is shown in the top panel, while the bottom panel shows the modificati