[论文解读] Topological Quantum Coherence in a Symmetry-Protected Superatom

Wei Nie, Zhao-Hui Peng+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2019

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本文提出了一种在准一维原子阵列中实现的对称性保护拓扑超原子，其中在腔驱动下，边缘态表现出拓扑保护的量子相干性。该系统展示了对噪声具有鲁棒性的集体辐射-亚辐射相变，实现了拓扑保护的量子存储，具有在量子计算和量子光学中应用的潜力。

ABSTRACT

Exploring the properties and applications of topological quantum states is essential to better understand topological matter. Here, we theoretically study a quasi-one-dimensional topological atom array. In the low-energy regime, the atom array is equivalent to a topological superatom. Driving the superatom in a cavity, we study the interaction between light and topological quantum states. We find that the edge states exhibit topology-protected quantum coherence, which can be characterized from the photon transmission. This quantum coherence helps us to find a superradiance-subradiance transition, and we also study its finite-size scaling behavior. The superradiance-subradiance transition also exists in symmetry-breaking systems. More importantly, it is shown that the quantum coherence of the subradiant edge state is robust to random noises, allowing the superatom to work as a topologically protected quantum memory. We suggest a relevant experiment with three-dimensional circuit QED. Our study may have applications in quantum computation and quantum optics based on topological edge states.

研究动机与目标

• 探索由准一维原子阵列形成的对称性保护超原子中的拓扑量子态。
• 研究腔驱动下拓扑超原子中的光-物质相互作用，并通过光子透射特性表征边缘态的相干性。
• 证明在对称性保护和对称性破缺系统中均存在集体辐射-亚辐射相变。
• 评估亚辐射边缘态相干性在随机噪声下的鲁棒性，以评估其在量子存储中的应用潜力。
• 提出一种可行的三维电路量子电动力学实验方案，以实现并检验拓扑超原子平台。

提出的方法

• 将准一维原子阵列的低能有效哈密顿量建模为拓扑超原子。
• 实施腔驱动以将光耦合至拓扑边缘态，并研究由此产生的光子透射谱。
• 利用光子透射谱表征边缘态的量子相干性，并识别集体辐射-亚辐射相变。
• 分析该相变的有限尺寸标度行为，以理解其在实际非无限系统中的表现。
• 引入随机噪声扰动以测试亚辐射边缘态相干性的鲁棒性。
• 提出一种三维电路量子电动力学装置，以实验实现理论模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 在驱动的拓扑超原子边缘态中，能否观测到拓扑保护的量子相干性？
• RQ2 在拓扑超原子的光子透射中，集体辐射-亚辐射相变如何表现？
• RQ3 系统中的随机噪声是否会影响亚辐射边缘态的量子相干性？
• RQ4 在对称性破缺系统中，集体辐射-亚辐射相变是否依然存在？
• RQ5 拓扑超原子能否作为稳定平台，实现拓扑保护的量子存储？

主要发现

• 拓扑超原子的边缘态表现出拓扑保护的量子相干性，可通过腔系统中的光子透射观测到。
• 通过驱动腔设置中的光子透射谱，识别并表征了集体辐射-亚辐射相变。
• 即使在对称性破缺系统中，集体辐射-亚辐射相变依然存在，表明其在保护相之外也具有更广泛的相关性。
• 亚辐射边缘态的量子相干性在随机噪声下依然保持鲁棒，证实其在拓扑量子存储中的潜力。
• 有限尺寸标度分析表明，该相变行为在实验可实现的系统中稳定且可观测。
• 提出了一种可行的三维电路量子电动力学平台，可用于实现拓扑超原子并检验其相干性与相变特性。