Medición cuántica sin demolición energéticamente eficiente con una interfaz de fotones de espín

Medición cuántica sin demolición energéticamente eficiente con una interfaz de fotones de espín

Marca de tiempo: 31 de agosto de 2023 6:42 a.m.
Nodo de origen: 2855942

María Maffei1, Bruno O. Va2, Stephen C. Vino2,3, Andrew N. Jordania4,5, Loïc Lanco6y Alexia Auffèves7,8

1Dipartimento di Fisica, Università di Bari, I-70126 Bari, Italia
2Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel, 38000 Grenoble, Francia
3Quandela SAS, 10 Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau, Francia
4Instituto de Estudios Cuánticos, Universidad Chapman, 1 University Drive, Orange, CA 92866, EE. UU.
5Departamento de Física y Astronomía, Universidad de Rochester, Rochester, Nueva York 14627, EE. UU.
6Université Paris Cité, Centro de Nanociencia y Nanotecnología (C2N), F-91120 Palaiseau, Francia
7MajuLab, Laboratorio Conjunto Internacional de Investigación CNRS-UCA-SU-NUS-NTU
8Centro de Tecnologías Cuánticas, Universidad Nacional de Singapur, 117543 Singapur, Singapur

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Resumen

Las interfaces espín-fotón (SPI) son dispositivos clave de las tecnologías cuánticas, cuyo objetivo es transferir de manera coherente información cuántica entre qubits de espín y propagar pulsos de luz polarizada. Estudiamos el potencial de un SPI para mediciones cuánticas de no demolición (QND) de un estado de espín. Después de ser inicializado y dispersado por el SPI, el estado de un pulso de luz depende del estado de giro. Por lo tanto, desempeña el papel de un estado de puntero, codificando la información en los grados de libertad temporal y de polarización de la luz. Basándonos en la resolución totalmente hamiltoniana de la dinámica de la luz del espín, mostramos que las superposiciones cuánticas de estados de fotón único y cero superan a los pulsos de luz coherentes, produciendo estados de puntero que son más distinguibles con el mismo presupuesto de fotones. La ventaja energética que proporcionan los pulsos cuánticos sobre los coherentes se mantiene cuando la información sobre el estado del espín se extrae al nivel clásico realizando mediciones proyectivas de los pulsos de luz. Los esquemas propuestos son resistentes a las imperfecciones de los dispositivos semiconductores de última generación.

Imagen de portada: Estudiamos la medición de la no demolición cuántica (QND) de un espín en una interfaz espín-fotón (SPI). Después de ser inicializado y dispersado por el SPI, el estado de un pulso de luz depende del estado de giro. Por lo tanto, desempeña el papel de un estado puntero, codificando la información en la fase de la luz y en los grados de libertad de polarización. Nuestro estudio se basa en una resolución novedosa, totalmente hamiltoniana, de la dinámica de la luz de espín basada en una generalización del modelo de colisión.

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Resumen popular

Las interfaces espín-fotón (SPI) son dispositivos clave de las tecnologías cuánticas, cuyo objetivo es transferir de manera coherente información cuántica entre qubits de espín (qubits de almacenamiento) y la propagación de pulsos de luz polarizada (qubits voladores). Siguiendo un camino abierto recientemente en los campos de la tecnología cuántica y la metrología cuántica, exploramos el potencial de los SPI para realizar operaciones energéticamente eficientes mediante la explotación de recursos cuánticos. La operación que analizamos es el componente principal de la mayoría de las aplicaciones tecnológicas basadas en SPI: la medición cuántica de no demolición (QND) del espín. Después de ser inicializado y dispersado por el SPI, el estado de un pulso de luz depende del estado de giro. Por lo tanto, desempeña el papel de un estado de puntero, codificando la información en los grados de libertad temporal y de polarización de la luz. Nuestro estudio se basa en una resolución novedosa, totalmente hamiltoniana, de la dinámica de la luz de espín basada en una generalización del modelo de colisión. Exploramos el impacto de diferentes estadísticas fotónicas del campo de propagación en la calidad de la medición QND a energía fija. Nos centramos en un régimen de baja energía donde la luz lleva un máximo de una excitación en promedio y comparamos un campo coherente con una superposición cuántica de estados cero y de fotón único. Encontramos que este último da lugar a una medición QND del espín más precisa que el primero, proporcionando así una ventaja cuántica energética. Mostramos que esta ventaja es sólida frente a las imperfecciones realistas de las implementaciones de SPI de última generación con puntos cuánticos.

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