[论文解读] Quantum interface for noble-gas spins

Or Katz, Roy Shaham+1 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2019

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 5

一句话总结

本文提出了一种利用碱金属原子与稀有气体核自旋之间的交换碰撞实现的量子接口，实现了长寿命相干性和确定性纠缠。该方法利用集体多体机制实现强耦合并可逆地交换非经典激发，为室温下相干时间超过一小时的量子存储器铺平了道路。

ABSTRACT

An ensemble of noble-gas nuclear spins is a unique quantum system that could maintain coherence for many hours at room temperature and above, owing to exceptional isolation from the environment. This isolation, however, is a mixed blessing, limiting the ability of these ensembles to coherently interface with other quantum systems. Here we show that spin-exchange collisions with alkali-metal atoms render a quantum interface for noble-gas spins without impeding their long coherence times. We formulate the many-body theory of the hybrid system and reveal a collective mechanism that strongly couples the macroscopic quantum states of the two spin ensembles. Despite their stochastic and random nature, weak collisions enable entanglement and reversible exchange of nonclassical excitations in an efficient, controllable, and deterministic process. We outline feasible parameters for reaching the strong-coupling regime, paving the way towards an experimental realization of hour-long quantum memories and entanglement at room-temperature.

研究动机与目标

• 解决长相干时间稀有气体核自旋与其它量子系统之间接口的挑战。
• 开发一种可控的、确定性的纠缠方法，用于稀有气体自旋，且不损害其相干性。
• 实现稀有气体与碱金属自旋集合之间的强耦合，以支持可扩展的量子存储和信息处理。
• 识别在室温环境下实现强耦合区域的可行实验参数。

提出的方法

• 利用稀有气体原子与碱金属原子之间的自旋交换碰撞作为相干耦合机制。
• 建立一个描述两个自旋集合混合系统的多体理论框架。
• 识别一种集体耦合机制，实现宏观量子态之间的强耦合和确定性相互作用。
• 分析碰撞的随机性，并表明即使弱而随机的相互作用仍可实现非经典激发的相干、可逆交换。
• 推导出利用实验可实现参数达到强耦合区域的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 稀有气体与碱金属原子之间的自旋交换碰撞是否能实现不损害长相干时间的相干量子接口？
• RQ2 在本质上具有随机性的相互作用系统中，何种多体机制可实现非经典激发的确定性和可逆交换？
• RQ3 在室温下的稀有气体自旋系统中，实现强耦合区域所需的实验参数是什么？
• RQ4 如何通过弱而随机的碰撞，实现两个不同自旋集合的宏观量子态之间的相干耦合？

主要发现

• 与碱金属原子的自旋交换碰撞为稀有气体核自旋提供了一种可行的量子接口，且不会损害其长相干时间。
• 集体多体机制实现了两个自旋集合宏观量子态之间的强耦合。
• 尽管碰撞具有随机性，该系统仍支持非经典激发的确定性、可逆交换。
• 理论分析识别出在室温条件下实现强耦合区域的可行实验参数。
• 该框架使设计工作在室温下、相干时间长达一小时的量子存储器和纠缠系统成为可能。