[论文解读] Quantum control of atomic systems by time resolved homodyne detection

Holger F. Hofmann, G. Mahler+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 1997

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文提出一种基于反馈的原子系统量子控制方案，利用对弱光学发射的实时平衡本振检测。通过采用Wigner-Weisskopf理论建模光子发射，并将由此产生的反作用分析为布洛赫矢量的量子扩散，研究证明原子态演化可在实时中完全受控，从而在不可避免的量子涨落存在下实现稳定或相干态的制备。

ABSTRACT

We investigate the properties of ideal projective balanced homodyne detection measurements on low intensity light fields emitted by individual atomic systems during short time intervals. A model for time resolved photon emissions based on Wigner-Weisskopf theory is used to describe the emission process. The back- action of this emission process is analytically described as a quantum diffusion of the Bloch vector. It is shown that the evolution of the atomic wavefunction can be controlled completely using the results of homodyne detection. This allows the stabilization of a known quantum state or the creation of coherent states by a feedback mechanism. However, the feedback mechanism can never compensate the dissipative effects of quantum fluctuations even though the coherent state of the system is known at all times.

研究动机与目标

• 开发一种利用弱光学测量实现原子量子态实时控制的方法。
• 通过量子测量理论理解光子发射对原子系统的反作用。
• 研究反馈机制是否能在耗散性量子涨落存在下稳定或制备已知量子态。
• 利用Wigner-Weisskopf理论对单个原子的时间分辨光子发射进行建模，以准确描述发射动力学。

提出的方法

• 采用理想投影式平衡本振检测，测量单个原子系统在短时间间隔内发射的低强度光场。
• 利用Wigner-Weisskopf理论建模发射过程，以描述腔内或自由空间中两能级原子的自发辐射。
• 将测量引起的反作用分析为作用于原子布洛赫矢量的量子扩散过程，其推导基于测量记录。
• 设计一种反馈机制，利用实时本振检测结果将原子态引导至目标态。
• 利用测得的本振信号持续更新施加于原子系统的控制场，实现动态态调控。
• 以随机主方程的形式表述反馈控制，以描述原子密度矩阵的条件演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 时间分辨本振检测是否能够实现对单个原子系统量子态演化的完全控制？
• RQ2 根据量子测量理论，光子发射的反作用如何影响弱测量过程中原子布洛赫矢量的演化？
• RQ3 在存在量子涨落的情况下，反馈机制在多大程度上可实现态的稳定或相干态的制备？
• RQ4 在通过反馈补偿耗散效应的同时，是否能够始终保持对原子态的完全知识？

主要发现

• 光子发射对原子系统的反作用被解析地描述为作用于布洛赫矢量的量子扩散过程，其与测量记录一致。
• 基于本振检测的反馈可实现对原子波函数演化的完全控制，从而实现对已知量子态的稳定。
• 可通过所提出的反馈机制创建并维持原子系统的相干态。
• 尽管可持续掌握系统态的信息，反馈机制仍无法完全补偿量子涨落引起的耗散效应。
• 即使在系统态始终可知的情况下，测量反作用仍限制了态制备与稳定的保真度。