論文の概要: Entangling spins using cubic nonlinear dynamics

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2301.04520v1
• Date: Wed, 11 Jan 2023 15:35:50 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-01-12 17:28:50.313666
• Title: Entangling spins using cubic nonlinear dynamics
• Title（参考訳）: 立方体非線形ダイナミクスを用いたエンタングリングスピン
• Authors: Lingxia Wang, Yani Wang, Yujing Cheng, Zhiqi Yan, Lei Xie, Gang Liu, Jinmin Fan, Di Wang, Yiling Song, Linli He, Wei Xiong, Mingfeng Wang
• Abstract要約: 多数の$N$原子スピンを持つ絡み合った状態は、量子情報処理と量子気象学の鍵となる要素である。 本稿では, 3次非線形力学を用いて, 量子フィッシャー情報によって観察されるスピンスピン多粒子絡み合わせの準備について検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 11.294546071388199
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Entangled states with a large number of $N$ atomic spins are a key ingredient for quantum information processing and quantum metrology. Nowadays, the preparation of such states has mainly relied on the quadratic nonlinear dynamics. Here, we investigate the preparation of spin-spin multipartite entanglement, witnessed by quantum Fisher information, by using the cubic nonlinear dynamics. We find that, in the regime of weak coupling, the cubic scheme can greatly speed up the rate of entanglement generation as compared to the quadratic scheme (about $N$ times faster). In the strong coupling regime, the cubic nonlinear dynamics enables the periodic in time generation of a broad variety of new-type macroscopic superposition states, which allow us to realize near-Heisenberg-limit phase sensitivity. In addition, we also reveal an interesting feature that the amount of entanglement generated by the cubic scheme has a macroscopic sensitivity to the parity of $N$, which has no counterpart in quadratic nonlinear dynamics and can be exploited for sensing the parity of $N$ at the single-spin level. We also propose a new approach for a fast and high-fidelity generation of maximally entangled Greenberger-Horne-Zeilinger (GHZ) states. By using an alternative cubic-quadratic-admixture type of nonlinear interaction, we show that one may accelerate the procedure of GHZ-state generation. The realization of the cubic nonlinear dynamics is also considered, showing that the cubic nonlinear dynamics can be realized by either repeatedly using linear- and quadratic-nonlinear dynamics or utilizing light-mediated interactions in just one step. Finally, by taking realistic imperfections into account, we find that the cubic scheme is sensitivity to the single-spin decay in the strong coupling regime, while is robust against the collective dephasing.
• Abstract（参考訳）: 多数の$N$原子スピンを持つ絡み合った状態は、量子情報処理と量子気象学の重要な要素である。 今日では、そのような状態の準備は主に二次的な非線形力学に依存している。 本稿では,量子フィッシャー情報によって観測されるスピンスピン多粒子の絡み合いについて,立方晶非線形ダイナミクスを用いて検討する。 弱い結合状態においては、立方体スキームは二次的なスキーム(約$N$倍)と比較して、絡み合いの発生速度を大幅に高速化することができる。 強結合状態において、立方体非線形ダイナミクスは、様々な新しいタイプのマクロ重ね合わせ状態の周期的インタイム生成を可能にするため、ニアハイゼンベルク-リミット位相感度を実現することができる。 さらに、立方体スキームが生成する絡み合いの量は、二次的非線形力学に匹敵しない$N$のパリティに対してマクロ的な感度を持ち、単スピンレベルでの$N$のパリティの検知に利用することができるという興味深い特徴も明らかにした。 また,最大絡み合ったグリーンベルガー・ホーネ・ザイリンガー状態(GHZ)を高速かつ高忠実に生成する手法を提案する。 代替の立方体四重項混合型非線形相互作用を用いることで、GHZ状態生成の手順を加速できることを示す。 また、立方体非線形力学の実現も考慮され、線型および二次非線形力学を繰り返すか、あるいは光を媒介とする相互作用を1ステップで利用することで立方体非線形力学を実現することができる。 最後に,現実的な不完全性を考慮して,この立方体スキームが強結合系における単一スピン減衰に敏感であるのに対し,集団的不完全性に対して頑健であることを見いだす。

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