Energieeffiziente zerstörungsfreie Quantenmessung mit einer Spin-Photonen-Schnittstelle

Energieeffiziente zerstörungsfreie Quantenmessung mit einer Spin-Photonen-Schnittstelle

Zeitstempel: 31. August 2023, 6:42 Uhr
Quellknoten: 2855942

Maria Maffei1, Bruno O. Goes2, Stephen C. Wein2,3, Andrew N. Jordan4,5, Loïc Lanco6, und Alexia Auffèves7,8

1Dipartimento di Fisica, Università di Bari, I-70126 Bari, Italien
2Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel, 38000 Grenoble, Frankreich
3Quandela SAS, 10 Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau, Frankreich
4Institut für Quantenstudien, Chapman University, 1 University Drive, Orange, CA 92866, USA
5Institut für Physik und Astronomie, University of Rochester, Rochester, New York 14627, USA
6Université Paris Cité, Zentrum für Nanowissenschaften und Nanotechnologie (C2N), F-91120 Palaiseau, Frankreich
7MajuLab, CNRS–UCA-SU-NUS-NTU Internationales gemeinsames Forschungslabor
8Zentrum für Quantentechnologien, National University of Singapore, 117543 Singapur, Singapur

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Abstrakt

Spin-Photon-Schnittstellen (SPIs) sind Schlüsselelemente der Quantentechnologien, die auf die kohärente Übertragung von Quanteninformationen zwischen Spin-Qubits und der Ausbreitung polarisierter Lichtimpulse abzielen. Wir untersuchen das Potenzial eines SPI für Quantum Non Demolition (QND)-Messungen eines Spinzustands. Nach der Initialisierung und Streuung durch das SPI hängt der Zustand eines Lichtimpulses vom Spinzustand ab. Es übernimmt somit die Rolle eines Zeigerzustands, wobei Informationen in den zeitlichen und Polarisationsfreiheitsgraden des Lichts kodiert werden. Aufbauend auf der vollständigen Hamiltonschen Auflösung der Spin-Light-Dynamik zeigen wir, dass Quantenüberlagerungen von Null- und Einzelphotonenzuständen kohärente Lichtimpulse übertreffen und Zeigerzustände erzeugen, die bei gleichem Photonenbudget besser unterscheidbar sind. Der energetische Vorteil, den Quantenpulse gegenüber kohärenten Pulsen bieten, bleibt erhalten, wenn Informationen über den Spinzustand auf klassischer Ebene durch projektive Messungen an den Lichtpulsen extrahiert werden. Die vorgeschlagenen Systeme sind robust gegenüber Unvollkommenheiten in Halbleiterbauelementen des Standes der Technik.

Ausgewähltes Bild: Wir untersuchen die Quantum Non-Demolition (QND)-Messung eines Spins in einer Spin-Photonen-Schnittstelle (SPI). Nach der Initialisierung und Streuung durch das SPI hängt der Zustand eines Lichtimpulses vom Spinzustand ab. Es übernimmt somit die Rolle eines Zeigerzustands, wobei Informationen in den Phasen- und Polarisationsfreiheitsgraden des Lichts kodiert werden. Unsere Studie basiert auf einer neuartigen, vollständig hamiltonschen Auflösung der Spin-Light-Dynamik, die auf einer Verallgemeinerung des Kollisionsmodells basiert.

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Populäre Zusammenfassung

Spin-Photon-Schnittstellen (SPIs) sind Schlüsselelemente der Quantentechnologien, die auf die kohärente Übertragung von Quanteninformationen zwischen Spin-Qubits (Speicher-Qubits) und sich ausbreitenden Impulsen polarisierten Lichts (fliegende Qubits) abzielen. Wir folgen einem kürzlich in den Bereichen Quantentechnologie und Quantenmetrologie eröffneten Weg und erforschen das Potenzial von SPIs, energieeffiziente Operationen durch Nutzung von Quantenressourcen durchzuführen. Die Operation, die wir analysieren, ist der Hauptbaustein der meisten SPIs-basierten technologischen Anwendungen: die Quanten-Nichtzerstörungsmessung (QND) des Spins. Nach der Initialisierung und Streuung durch das SPI hängt der Zustand eines Lichtimpulses vom Spinzustand ab. Es übernimmt somit die Rolle eines Zeigerzustands, wobei Informationen in den zeitlichen und Polarisationsfreiheitsgraden des Lichts kodiert werden. Unsere Studie basiert auf einer neuartigen, vollständig hamiltonschen Auflösung der Spin-Light-Dynamik, die auf einer Verallgemeinerung des Kollisionsmodells basiert. Wir untersuchen den Einfluss verschiedener photonischer Statistiken des sich ausbreitenden Feldes auf die Qualität der QND-Messung bei fester Energie. Wir konzentrieren uns auf einen Niedrigenergiebereich, in dem das Licht im Durchschnitt maximal eine Anregung trägt, und vergleichen ein kohärentes Feld mit einer Quantenüberlagerung von Null- und Einzelphotonenzuständen. Wir stellen fest, dass Letzteres zu einer präziseren QND-Messung des Spins führt als Ersteres und somit einen energetischen Quantenvorteil bietet. Wir zeigen, dass dieser Vorteil robust gegenüber realistischen Unzulänglichkeiten moderner SPI-Implementierungen mit Quantenpunkten ist.

► BibTeX-Daten

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Konnte nicht abrufen Crossref zitiert von Daten während des letzten Versuchs 2023-08-31 10:45:08: Von Crossref konnten keine zitierten Daten für 10.22331 / q-2023-08-31-1099 abgerufen werden. Dies ist normal, wenn der DOI kürzlich registriert wurde. Auf SAO / NASA ADS Es wurden keine Daten zum Zitieren von Werken gefunden (letzter Versuch 2023-08-31 10:45:08).

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