論文の概要: Unified Light-Matter Floquet Theory and its Application to Quantum
Communication
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2207.08558v1
- Date: Mon, 18 Jul 2022 12:36:27 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-02-04 15:48:23.306058
- Title: Unified Light-Matter Floquet Theory and its Application to Quantum
Communication
- Title(参考訳): 統一光マッターフロッケ理論とその量子通信への応用
- Authors: Georg Engelhardt, Sayan Choudhury, and W. Vincent Liu
- Abstract要約: フロッケ理論は、強いレーザー場と相互作用する原子の力学を記述するために用いられる。
Floquet理論と量子光学をフルカウンティング統計学の枠組みを用いて統一する。
我々の結果は、効率的な量子メモリと量子演算の設計の道を開いた。
- 参考スコア(独自算出の注目度): 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Periodically-driven quantum systems can exhibit a plethora of intriguing
non-equilibrium phenomena, that can be analyzed using Floquet theory.
Naturally, Floquet theory is employed to describe the dynamics of atoms
interacting with intense laser fields. However, this semiclassical analysis can
not account for quantum-optical phenomena that rely on the quantized nature of
light. In this paper, we take a significant step to go beyond the semiclassical
description of atom-photon coupled systems by unifying Floquet theory with
quantum optics using the framework of Full-Counting Statistics. This is
achieved by introducing counting fields that keep track of the photonic
dynamics. This formalism, which is dubbed ``Photon-resolved Floquet theory"
(PRFT), is based on two-point tomographic measurements, instead of the
two-point projective measurements used in standard Full-Counting Statistics.
Strikingly, the PRFT predicts the generation of macroscopic light-matter
entanglement when atoms interact with multi-frequency electromagnetic fields,
thereby leading to complete decoherence of the atomic subsystem in the basis of
the Floquet states. This decoherence occurs rapidly in the optical frequency
regime, but is negligible in the radio frequency regime. Intriguingly, time
crystals can act as good quantum memories even in the optical frequency regime.
Our results thus pave the way for the design of efficient quantum memories and
quantum operations. Finally, employing the PRFT, we propose a quantum
communication protocol that can significantly outperform the state-of-art
few-photon protocols by two orders of magnitude or better. The PRFT potentially
leads to new insights in various Floquet settings including spectroscopy,
thermodynamics, quantum metrology, and quantum simulations.
- Abstract(参考訳): 周期的に駆動される量子系は、フロケ理論を用いて解析できる興味深い非平衡現象の多元性を示すことができる。
当然、フロケ理論は強いレーザー場と相互作用する原子の力学を記述するために用いられる。
しかし、この半古典的解析は、光の量子化の性質に依存する量子光学現象を説明できない。
本稿では、フルカウンティング統計の枠組みを用いてフロッケ理論と量子光学を統合することにより、原子-光子結合系の半古典的記述を超越する大きな一歩を踏み出す。
これは、フォトニックダイナミクスを追跡するカウントフィールドを導入することで達成される。
この形式論は「photon-resolved floquet theory」(prft)と呼ばれ、標準的な全数統計で使われる2点の射影計測ではなく、2点の断層計測に基づいている。
興味深いことに、PRFTは、原子が多周波電磁場と相互作用するときのマクロマターの絡み合いの発生を予測し、フロッケ状態に基づいて原子サブシステムを完全に非コヒーレンスさせる。
このデコヒーレンスは光周波数系では急速に発生するが、無線周波数系では無視される。
興味深いことに、時間結晶は光周波数系でも良い量子記憶として機能する。
その結果,効率的な量子記憶と量子演算の設計への道が開けた。
最後に、prftを用いて、最先端の少数光子プロトコルを2桁以上大きく上回る量子通信プロトコルを提案する。
PRFTは、分光、熱力学、量子力学、量子シミュレーションなど、様々なフロケット設定における新たな洞察をもたらす可能性がある。
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