[论文解读] Using shortcut to adiabatic passage for the ultrafast quantum state transfer in cavity QED system

Mei Lu, Li-Tuo Shen+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2013

Mechanical and Optical Resonators被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种基于基于不变量的逆向工程与绝热通道快捷技术的超快量子态转移（QST）协议，用于在腔量子电动力学（cavity QED）系统中实现两个三能级原子之间的量子态转移。通过设计时间依赖的激光脉冲和原子-腔耦合，该方案在远短于传统绝热方法所需的时间内实现了高保真度的态转移，即使在原子自发辐射和光子泄漏引起的现实退相干条件下，保真度仍超过98.85%。

ABSTRACT

We propose an alternative scheme to implement the quantum state transfer between two three-level atoms based on the invariant-based inverse engineering in cavity quantum electronic dynamics (QED) system. The quantum information can be ultrafast transferred between the atoms by taking advantage of the cavity field as a medium for exchanging quantum information speedily. Through designing the time-dependent laser pulse and atom-cavity coupling, we send the atoms through the cavity with a short time interval experiencing the two processes of the invariant dynamics between each atom and the cavity field simultaneously. Numerical simulation shows that the target state can be ultrafast populated with a high fidelity even when considering the atomic spontaneous emission and the photon leakage out of the cavity field. We also redesign a reasonable Gaussian-type wave form in the atom-cavity coupling for the realistic experiment operation.

研究动机与目标

• 解决传统绝热通道技术在腔QED中用于量子态转移时操作时间过长的问题。
• 利用腔场作为动态媒介，实现两个Λ型原子之间的超快、高保真度量子态转移。
• 设计实验可实现的控制场——特别是高斯形时间依赖耦合——以实现实际应用。
• 确保对原子自发辐射和腔内光子泄漏引起的退相干具有鲁棒性。

提出的方法

• 采用基于不变量的逆向工程方法，构造动力学不变量，以确保在非绝热条件下仍能实现绝热演化。
• 设计时间依赖的拉比频率Ω₁(t)、Ω₂(t)以及原子-腔耦合强度G₁(t)、G₂(t)，以引导系统沿期望的演化路径运行。
• 采用双原子、双模腔QED系统，原子以短时间延迟依次注入，以避免同时相互作用。
• 采用高斯形脉冲包络作为原子-腔耦合形式，相较于正弦形式更有利于实验实现。
• 求解包含原子衰减（Γ）和光子泄漏（κ）的Lindblad项的主方程，以模拟真实的退相干效应。
• 采用非阿贝尔几何相位框架，以确保在参数波动下仍具备鲁棒性和高保真度。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于不变量的逆向工程能否实现在腔QED系统中两个Λ型原子之间的超快量子态转移？
• RQ2 量子态转移的保真度如何受原子自发辐射和光子泄漏退相干的影响？
• RQ3 能否采用高斯形原子-腔耦合轮廓以提升实验可行性，同时保持高保真度？
• RQ4 该协议对控制参数ε′和σ的波动具有多强的鲁棒性？
• RQ5 在光子泄漏占主导之前，实现高保真度转移所需的最短操作时间是多少？

主要发现

• 在实际实验参数下（g, κ, Γ)/2π = (750, 3.5, 2.62) MHz，目标态|sf,0⟩的保真度超过98.85%。
• 当ε′和σ的参数波动达到±10%时，保真度仍保持在97%以上，表明对控制误差具有强鲁棒性。
• 由于光子激发态中占据数较高，该方案对光子泄漏（κ/g）的敏感度高于对原子自发辐射（Γ/g）的敏感度。
• 数值模拟证实，操作时间足够短，可在显著光子泄漏发生前完成态转移。
• 高斯形耦合轮廓G₁(t)和G₂(t)成功替代了正弦形式，显著提升了实验可行性。
• 该协议可推广至多原子系统，表明其在更大规模量子信息网络中具备可扩展性。