[论文解读] Quantum state engineering by alternate state displacement and photon adding

Mohammed Dakna, Jens Clausen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 1998

Quantum Information and Cryptography被引用 1

一句话总结

本文提出了一种通过光束分离器实现交替的条件位移和光子添加操作，以工程化单模辐射的任意纯量子态的方案。通过利用原子测量引起的非幺正态塌缩，该方法在可扩展的框架中实现了对非经典态（包括 Fock 态叠加态）的高控制与高保真度制备。

ABSTRACT

We show that alternate quantum-state displacement and photon adding via conditional measurement on beam splitters can be used for generating arbitrary pure quantum states of single-mode radiation. Designing of schemes for the generation of specific nonclassical quantum states has been a subject of increasing interest. The realization in the laboratory of schemes that have been already proposed, have been one of the most exciting challenges to the researchers. In [1] a method is proposed that offers the possibility of preparing a cavity-field mode undergoing a Jaynes-Cummings dynamics in any superposition of a finite number of Fock states in principle. The method is based on a non-unitary “collapse ” of the state vector of the cavity-field mode via atom ground-state measurement. Before entering the cavity and interacting with the cavity mode in a controlled way, the atoms are prepared in a well-defined superposition of two (Rydberg-)states. After leaving the cavity, the atoms enter a detector for measuring their energies. In this article we propose a scheme for the preparation of a radiation-field

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、基于条件测量的单模辐射场中任意纯量子态生成方法。
• 通过实现对 Fock 态叠加态的高控制制备，克服现有方案的局限性。
• 提供一种在实验室中可实现的非经典态生成协议，利用光束分离器和原子探测。
• 通过设计的原子态和测量，将 Jaynes-Cummings 类型动力学的应用范围扩展至任意叠加态。

提出的方法

• 该方案通过原子处于里德堡态叠加态时与光束分离器的相互作用，对辐射场实施条件位移操作。
• 在原子与腔场相互作用后，通过原子自由度的条件测量实现光子添加。
• 该过程在位移与光子添加步骤之间交替进行，逐步构建复杂的量子态。
• 通过测量原子基态诱导非幺正态塌缩，将场态投影到期望的 Fock 态叠加态上。
• 该方法依赖于受控的原子-场相互作用以及通过原子能级测量实现的后选择，以构建目标态。
• 理论设计基于 Jaynes-Cummings 模型，通过定制的原子输入态扩展至允许任意叠加态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过条件操作在单模辐射场中制备任意 Fock 态叠加态？
• RQ2 如何交替实现光子添加与位移操作以实现精确的量子态工程？
• RQ3 原子态制备与后选择在实现非经典态生成中起到何种作用？
• RQ4 该方案是否可在当前腔量子电动力学技术条件下实现实验实现？

主要发现

• 该方案通过迭代应用位移与光子添加操作，能够制备单模辐射场中的任意纯量子态。
• 对原子的条件测量可实现非幺正态塌缩，将场态投影到期望的 Fock 态叠加态上。
• 该方法具有可扩展性，且在当前腔 QED 技术下理论上可实现，为实验实现提供了路径。
• 利用处于叠加态的里德堡态原子可实现高保真度的态制备，并对场态实现精确控制。
• 理论分析证实，该方案可生成如薛定谔猫态和 Fock 态叠加态等非经典态。