Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
1.0
0.5 -
0.0
3
Ом
S
S
а-
* 1.0
4
и
0.0
(а)
I I ’ I 1 I
(Ь)
------------------1 I |----------------------« |
(с)
~1-•--1-'--1--'—г
(d)
HI
’—I—'—I—'—I—'—I—'
0 2 4 6 8 10
v (кГц)
Рис. 5.6. Рамзеевская модуляция в вероятности регистрации атома на уровне |g) как функции v : (а) резонатор С - пустой, 512л= 712 кГц; от (Ь) до (d) в С имеется когерентное поле с |a| = V9.5 = 3.1, 512л = 712, 347 и 104 кГц, соответственно. Точками отмечены экспериментальные данные, сплошные кривые - синусоидальная аппроксимация. На врезках показаны представления компонент поля, выходящих из С, в фазовом пространстве.
Квантовая суперпозиция мезоскопического поля, возникающая в процессе такого приготовления и детектирования атома, проходящего через резонатор, весьма чувствительна к внешним воздействиям и подвержена декогерентности; особенно когда \ а\2 и/или (Остановятся большими [179-186]. Чтобы проследить за эволюцией от квантовой суперпозиции к классической смеси, «состояние кошки» для поля апробируется на втором атоме, проходящем через резонатор после за-
190 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
держки Т [166, 188]. Пробный атом испытывает такой же фазовый сдвиг, как и первый. Каждая из двух компонент поля, вызванная первым атомом, расщепляется на две части. Это означает, что конечное состояние поля содержит четыре компоненты, две из которых совпадают при нулевой фазе. В каких бы комбинациях состояний два атома не пересекли С - либо в (|е), |g)), либо в (jg), |е» фаза возвращается к исходному значению. После перемешивания атомных состояний в зоне R2 информация о начальной комбинации исчезает (|е), |g) или |g), |е)), поскольку второй атом частично «стер» [187] информацию о поле, оставшуюся от первого атома. Вклады этих двух комбинаций, таким образом, приводят через совместные вероятности Pte, Ptg, Pge, Pgg и корреляционные сигналы ij =PJ(Pn+ Peg) - PgJ (Pg + Pgg) к наличию интерференционных членов.
Рис. 5.7. Декогерентность шредингеровской кошки: сигнал двух-атомной корреляции как функция TIT для Ы2п = 170 кГц (кружки) и 5/2 я1 = 70 кГц (треугольники). Пунктир и сплошная линия - теория. Врезки: наглядное представление, соответствующее компонентам поля, разделенным на 2Ф.
Если состояние суперпозиции выживает за время Т, то rj, в идеальном случае, принимает значение 1/2; если же состояние поля становится простой смесью, т] оказывается равной нулю. Экспериментальные значения ij, как функции Т, показаны на Рис. 5.7 для двух различных состояний типа «кошки» (обозначенных на врезках). Точки представляют эксперимент, сплошная линия - теорию [188]. Максимальное значение 0.18 ограничено только невысоким контрастом использованного интерферометра Рамзея. Декогерентность возникает на временах, гораздо более коротких, чем время затухания резонатора, и
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 191
более заметна, когда расстояние между компонентами «кошки» увеличивается. Видно, что наблюдается нетривиальный механизм релаксации, постоянная времени которой очень сильно зависит от начального состояния.
Декогерентность вызвана потерей фотонов в резонаторе. Каждый потерянный фотон может быть описан как маленький «шредингеров-ский котенок», копирующий в окружающее пространство (термостат) информацию о фазе, запасенную в С. Простой факт того, что такая «утечка» информации могла бы быть прочитана, уничтожает интерференционные эффекты, вызванные квантовой когерентностью «кошки». В этом смысле, декогерентность является дополнительным явлением. Малое время декогерентности состояния шредингеровской кошки, рассмотренное выше, оказывается порядка TcJn, что объяснимо при таком подходе. Чем больше число фотонов, тем короче время, требуемое для утечки единичной «фотонной копии» в термостат. В этом эксперименте проверяются основные особенности декогерентности и ясно видна нестойкость квантовой когерентности в больших системах. Экстраполяция квантово-механической суперпозиции состояний к макроскопическому масштабу приводит к почти мгновенной декогерентности, что подтверждает копенгагенскую интерпретацию квантовых измерений для любых практических целей. Этот эксперимент также помогает понять и те трудности, которые возникают при создании и управлении крупномасштабным квантовым перепутыванием, а именно, что квантовая декогерентность является основной лимитирующей преградой при реализации процессов крупномасштабной обработки квантовой информации. Дальнейшая дискуссия об ограничениях, возникающих при квантовых вычислениях без рассмотрения схем квантовой коррекции ошибок, будет продолжена в разделе 7.3.
5.2.5 Эксперименты с ионами в ловушках
Один или несколько ионов, находящихся в радиочастотной ловушке Пауля, являются идеальным объектами для изучения динамики простых квантовых систем, и с помощью лазерных импульсов экспериментатор может осуществлять взаимодействие таких простых систем в большей степени по своему выбору. Особенно интересный случай состоит в представлении поля фотонов в КЭР, о чем говорилось в предыдущих разделах, моделью гармонического осциллятора, которая описывает движение иона (ионов) во внешнем потенциале ловушки. Подходящее световое поле может связывать внутренние электронные уровни иона |g) и \е) с внешним колебательным движением с час-
