Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 187
ния и излучения фотонов атомами запрещены и взаимодействие с резонатором является чисто дисперсионным. Энергетическое перепутывание атома и поля, рассмотренное в предыдущем разделе, заменяется на перепутывание атомного состояния с фазой поля излучения, которое может рассматриваться классически. Таким образом, микроскопическая степень свободы управляет «макроскопической» величиной. Это перепутывание служит прототипом квантового измерения и позволяет исследовать таинственный мир квантовой механики с необычной точки зрения.
Пусть циркулярный ридберговский атом взаимодействует со слабым когерентным полем в С; амплитуду резонаторного поля обозначим через а, среднее число фотонов \а\2 обычно распределено в интервале от 0 до 10. Так как вакуумная частота Раби представляется гауссовой функцией от положения атома внутри резонатора, то возмущение включается и выключается адиабатически. Следовательно обмен фотоном между атомом и резонаторным полем маловероятен даже при небольших расстройках (812л = 100 -f- 700 кГц). Поэтому взаимодействие проявляется только в сдвиге частоты уровня. Резонаторная мода сдвигается на величину ±Q2IA8 для атома, находящегося в центре резонатора. Этот сдвиг, вызываемый эффектом «показателя преломления» единичного атома, имеет противоположные величины для атома в состояниях \е) и |g) [161]. Величина сдвига достигает значения ± 6 кГц при 812л = 100 кГц, отвечающему удельному (на один атом) показателю преломления на 15 порядков превышающему значение, характерное для «обычных атомов».
Частотный сдвиг, возникающий при прохождении единичного атома через резонатор, проявляется в сдвиге фазы когерентного резона-торного поля на ± Ф = ± f22t/4S, где t - эффективное время взаимодействия. Фазовый сдвиг обычно оказывается порядка одного радиана. Такое взаимодействие между атомом и полем может быть использовано для генерации неклассической суперпозиции состояний поля с различными фазами. Атом приготавливается в суперпозиции состояний \е) и |g) путем подачи импульса я/2 в зоне Rr При пересечении атомом резонатора, полю одновременно придаются два противоположных фазовых сдвига ± Ф. Состояние комбинированной системы атом - поле, таким образом, принимает вид
Это состояние является перепутанным - энергия атома коррели-рована с фазой резонаторного поля. Когерентное поле может быть представлено как вектор в фазовом пространстве, длина и направление которого связаны с амплитудой и фазой, как показано на Рис. 5.5(a).
(5.4)
188 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
Конец вектора лежит в круге единичного радиуса, описывающего квантовую неопределенность состояния поля. Из уравнения (5.4) видно, что этот вектор ведет себя как «стрелка прибора», принимающая два разных направления, отвечающих за состояния атома, как показано на Рис. 5.5(b). Взаимодействие осуществляет «измерение», в котором «вектор поля» используется для определения энергии атома. Здесь уместно напомнить метафору Шредингера [178]: компоненты поля + Фи-Фаналогичны состояниям знаменитой «живой» и «мертвой» кошки, перепутанными с атомом, находящимся в суперпозиции возбужденного и основного состояний.
После выхода из резонатора, но до детектирования, атом подвергается воздействию другого я/2-импульса в зоне R2, когерентному с импульсом в зоне Rr Вероятность детектирования Pg атома в состоянии |g) измеряется, как функция частоты v поля, приложенного в Rl и Rr На Рис. 5 6(a) показан экспериментальный результат для случая, когда в резонаторе не было фотонов и при расстройке 812 п = 712 кГц. Состояние атома может быть преобразовано из \е) в |g) либо в зоне R, (прохождение через С в состоянии |g)), либо в R2 (прохождение через С в состоянии |е)).Так как атом не оставляет никаких следов своего присутствия внутри резонатора, эти два способа не могут быть идентифицированы и соответствующие амплитуды интерферируют, что и приводит к осцилляциям (интерференция Рамзея) в Р
На Рис. 5.6(b - d) показаны экспериментальные результаты для когерентного резонаторного поля со средним числом фотонов 9.5 и уменьшающихся расстроек. Чем меньше расстройка, тем больше разделение компонент поля в С. Врезки на Рис.5.6(Ь - d) иллюстрируют фазовую информацию о поле, которая записана в атомном состоянии. Такая «каким-путем» (which-way) информация, даже не будучи прочитанной, должна разрушать эффект интерференции, в соответствии с принципом дополнительности. Количественный анализ показывает, что интерференционный сигнал определяется интегралом перекрытия между двумя компонентами поля; его модуль отвечает за контраст
(а)
<Ь)
Рис. 5,5. (а): Наглядное представление в фазовом пространстве когерентного состояния поля. (Ь) Компоненты поля в (5.4), коррелированные с атомными состояниями \е) и |g).
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 189
интерференции, а фаза - за рамзеевскую модуляцию. Для больших Ф перекрытие мало и модуляция исчезает. Результаты убедительно показывают, что резонатор действует как счетчик атомного состояния. Кроме того, фазовый сдвиг в модуляции при больших расстройках, обеспечивает точную информацию о числе фотонов.
