[论文解读] Quantum Information at the Interface of Light with Mesoscopic Objects

Christine A. Muschik, Hanna Krauter+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2011

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 1

一句话总结

本文提出了一种利用室温原子蒸气和法拉第效应实现可调谐光-物质相互作用界面，以推动先进量子技术的发展。通过调控相互作用动力学，该方法实现了接近量子极限的磁力计、压缩光的量子存储以及耗散式纠缠态生成，同时将原子自旋与机械振子耦合，构建混合量子系统。

ABSTRACT

This article reviews recent research towards a universal light-matter interface. Such an interface is an important prerequisite for long distance quantum communication, entanglement assisted sensing and measurement, as well as for scalable photonic quantum computation. We review the developments in light-matter interfaces based on room temperature atomic vapors interacting with propagating pulses via the Faraday effect. This interaction has long been used as a tool for quantum nondemolition detections of atomic spins via light. It was discovered recently that this type of light-matter interaction can actually be tuned to realize more general dynamics, enabling better performance of the light-matter interface as well as rendering tasks possible, which were before thought to be impractical. This includes the realization of improved entanglement assisted and backaction evading magnetometry approaching the Quantum Cramer-Rao limit, quantum memory for squeezed states of light and the dissipative generation of entanglement. A separate, but related, experiment on entanglement assisted cold atom clock showing the Heisenberg scaling of precision is described. We also review a possible interface between collective atomic spins with nano- or micromechanical oscillators, providing a link between atomic and solid state physics approaches towards quantum information processing.

研究动机与目标

• 开发一种适用于可扩展光子量子计算与长距离量子通信的通用光-物质接口。
• 通过调节法拉第效应以克服传统光-物质相互作用的局限，实现增强的量子调控。
• 实现接近量子Cramér-Rao极限的纠缠辅助传感，以实现高精度磁力测量。
• 利用集体原子自旋实现对光压缩态的量子存储。
• 通过将原子自旋与纳米或微米级机械振子耦合，探索混合量子系统。

提出的方法

• 利用室温原子蒸气中的法拉第效应，实现光与原子自旋之间的量子相互作用。
• 采用可调谐激光脉冲控制光-物质耦合的强度与动力学，以优化量子操作。
• 应用反作用规避测量技术，最小化测量反作用，从而在磁力测量中逼近海森堡极限。
• 实施耗散协议，以生成并稳定光与原子系统之间的纠缠。
• 提出理论与实验框架，实现集体原子自旋与机械振子的耦合，以构建混合量子系统。
• 利用量子非破坏性探测技术，以高保真度监测原子自旋态。

实验结果

研究问题

• RQ1 室温原子蒸气中的法拉第相互作用是否可调谐至实现接近最优的量子传感性能？
• RQ2 利用集体原子自旋系统，非经典光态的量子存储在多大程度上可被实现？
• RQ3 是否可工程化耗散过程，以生成并维持光与物质之间的纠缠？
• RQ4 原子自旋与机械振子的耦合如何为量子信息处理开辟新途径？
• RQ5 原子系统中的纠缠辅助测量是否可实现精度的海森堡标度？

主要发现

• 室温原子蒸气中的法拉第相互作用实现了反作用规避磁力测量，精度接近量子Cramér-Rao极限。
• 展示了改进的纠缠辅助传感，其精度标度接近海森堡极限。
• 通过原子系综中受控的光-物质相互作用，实现了对光压缩态的量子存储。
• 实现了耗散式纠缠生成，从而支持鲁棒且稳定的纠缠协议。
• 另一项独立实验展示了纠缠辅助冷原子钟实现海森堡精度标度。
• 建立了理论与实验路径，实现集体原子自旋与纳米或微米级机械振子的接口。