(44-2) 03 * << * >> * Русский * English * Содержание * Все выпуски

Динамика перепутывания атомов с двухфотонными переходами, индуцированного тепловым полем
Е.К. Башкиров 1

1 Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва,
443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, д. 34

 PDF, 1192 kB

DOI: 10.18287/2412-6179-CO-595

Страницы: 167-176.

Аннотация:
В настоящей работе мы исследуем атом-атомное перепутывание двух двухуровневых атомов (кубитов), нерезонансно взаимодействующих с тепловым полем одномодового идеального резонатора посредством эффективных вырожденных двухфотонных переходов. На основе точного решения для зависящей от времени матрицы плотности рассматриваемой системы мы вычислили отрицательность как меру перепутывания атомов. Показано, что для сепарабельных начальных состояний атомов включение малой расстройки частот атомов и поля приводит к существенному увеличению максимальной степени перепутывания атомов. Установлено также, что для нерезонансного взаимодействия атома с полем перепутывание, индуцированное нелинейным двухфотонным взаимодействием, меньше перепутывания, вызванного однофотонным взаимодействием, в отличие от модели с резонансным взаимодействием, где имеет место обратный эффект. Для перепутанного начального атомного состояния белловского типа увеличение расстройки приводит к уменьшению амплитуд осцилляций Раби отрицательности, т.е. стабилизации атомного перепутывания. В работе также показано, что включение расстройки приводит к устранению эффекта мгновенной смерти перепутывания.

Ключевые слова:
двухуровневые атомы, двухфотонное взаимодействие, тепловое поле, перепутывание, мгновенная смерть перепутывания.

Цитирование:
Башкиров, Е.К. Динамика перепутывания атомов с двухфотонными переходами, индуцированного тепловым полем / Е.К. Башкиров // Компьютерная оптика. – 2020. – Т. 44, № 2. – С. 167-176. – DOI: 10.18287/2412-6179-CO-595.

Литература:
  1. Buluta, I. Natural and artificial atoms for quantum computation / I. Buluta, S. Ashhab, F. Nori // Reports on Progress in Physics. ‒ 2011. ‒ Vol. 74. ‒ 104401.
  2. Xiang, Z.-L. Hybrid quantum circuits: Superconducting circuits interacting with other quantum systems / Z.-L. Xiang, S. Ashhab, J.Q. You, F. Nori // Reviews of Modern Physics. ‒ 2013. ‒ Vol. 85. ‒ P. 623-653.
  3. Georgescu, I.M. Quantum simulation / I.M. Georgescu, S. Ashhab, F. Nori // Reviews of Modern Physics. ‒ 2014. ‒ Vol. 88. ‒ P. 153-185.
  4. Gu, X. Microwave photonics with superconducting quantum circuits / X. Gu, A.F. Kockum, A. Miranowicz, Y.-X. Liu, F. Nori / Physics Reports. ‒ 2017. ‒ Vol. 718-719. ‒ P. 1-102.
  5. Wendin, G. Quantum information processing with superconducting circuits: a review / G. Wendin // Reports on Progress in Physics. ‒ 2017. ‒Vol. 80. ‒ 106001.
  6. Shore, B.W. The Jaynes-Cummings model / B.W. Shore, P.L. Knight // Journal of Modern Optics. ‒ 1993. ‒ Vol. 40, Issue. 7. ‒ P. 1195-1238.
  7. Larson, J. Dynamics of the Jaynes-Cummings and Rabi models: Old wine in new bottles / J. Larson // Physica Scripta. ‒ 2007. ‒ Vol. 76. ‒ P. 146-160.
  8. Garraway, B.M. The Dicke model in quantum optics: Dicke model revisited / B.M. Garraway // Philosophical Transactions of the Royal Society A. ‒ 2011. ‒ Vol. 369, Issue 1939. ‒ P. 1137-1155.
  9. Leibfried, D. Quantum dynamics of single trapped ions / D. Leibfried, R. Blatt, C. Monroe, D. Wineland // Reviews of Modern Physics. ‒ 2003. ‒ Vol. 75. ‒ P. 281-324.
  10. Walther, H. Cavity quantum electrodynamics / H. Walther, B.T.H. Varcoe, B.-G. Englert, T. Becker // Reports on Progress in Physics. ‒ 2006. ‒ Vol. 69. ‒ P. 1325-1382.
  11. Haroche, S. From cavity to circuit quantum electrodynamics. / S. Haroche, M. Brune, J.M. Raimond // Nature Physics. ‒ 2020. ‒ Vol. 16. ‒ P. 243-246.
  12. Schuster, I. Nonlinear spectroscopy of photons bound to one atom / I. Schuster, A. Kubanek, A. Fuhrmanek, T. Puppe, P.W.H. Pinkse, K. Murr, G. Rempe // Nature Physics. ‒ 2008. ‒ Vol. 4. ‒ P. 382-385.
  13. Mlynek, J.A. Demonstrating W-type entanglement of Dicke states in resonant cavity quantum electrodynamics / J.A. Mlynek, A.A. Abdumalikov Jr., J.M. Fink, L. Steffen, M. Baur, C. Lang, A.F. van Loo, A. Wallraff // Physical Review A. ‒ 2010. ‒ Vol. 86. ‒ 053838.
  14. Altomare, F. Tripartite interactions between two phase qubits and a resonant cavity / F. Altomare, J.I. Park, K. Cicak, M.A. Sillanpää, M.S. Allman, D. Li, A. Sirois, J.A. Strong, J.D. Whittaker, R.W. Simmonds // Nature Physics. ‒ 2010. ‒ Vol. 6. ‒ P. 777-781.
  15. Sun, G. Entanglement dynamics of a superonducting phase qubit coupled to a two-level system / G. Sun, Z. Zhou, B. Mao, X. Wen, P. Wu, S. Han // Physical Review B. – 2012. – Vol. 86. – 064502.
  16. Niemczyk, T. Beyond the Jaynes-Cummings model: circuit QED in the ultrastrong coupling regime / T. Niemczyk, F. Deppe, H. Hueb, E.P. Menzel, F. Hocke, M.J. Schwarz, J.J. Garcia-Ripoll, D. Zueco, T. Hummer, E. Solano, A. Marx, R. Gross // Nature Physics. ‒ 2010. ‒ Vol. 6. ‒ P. 772-776.
  17. Turcu, I.C.E. Select Quantum electrodynamics experiments with colliding petawatt laser pulses Quantum electrodynamics experiments with colliding petawatt laser pulses / I.C.E. Turcu, B. Shen, D. Neely, G. Sarri, K.A. Tanaka, P. McKenna, S.P.D. Mangles, T.-P. Yu, W. Luo, X.-L. Zhu, Y. Yin // High Power Laser Science and Engineering. ‒ 2019. ‒ Vol 7. ‒ P. 1-8.
  18. Dell'Anno, F. Multiphoton quantum optics and quantum state engineering / F. Dell'Anno, S. De Siena, F. Illuminati // Physics Reports. ‒ 2006. ‒ Vol. 428. ‒ P. 53-168.
  19. Villas-Boas, C.J. Multiphoton Jaynes-Cummings Model: Arbitrary Rotations in Fock Space and Quantum Filters / C.J. Villas-Boas, D.Z. Rossatto // Physical Review Letters. ‒ 2019. ‒ Vol. 122. ‒ 123604.
  20. Vogel, W. Nonlinear Jaynes-Cummings dynamics of a trapped ion / W. Vogel, R.L. de Matos Filho // Physical Review A. – 1995. – Vol. 52, Issue 5. – P. 4214-4217.
  21. Kubanek, A. Two-photon gateway in one-atom cavity quantum electrodynamics / A. Kubanek, A. Ourjoumtsev, I. Schuster, M. Koch, P.W.H. Pinkse, K. Murr, G. Rempe // Physical Review Letters. ‒ 2008. ‒ Vol. 101. ‒ 203602.
  22. Kim, H. Strong coupling between two quantum dots and a photonic crystal cavity using magnetic field tuning / H. Kim, D. Sridharan, T.C. Shen, G.S. Solomon, E. Waks // Optics Express. ‒ 2011. ‒ Vol. 19. ‒ P. 2589-2599.
  23. Poletto, S. Entanglement of two superconducting qubits in a waveguide cavity via monochromatic two-photon excitation / S. Poletto, J.M. Gambetta, S.T. Merkel, J.A. Smolin, J.M. Chow, A.D. Corcoles, G.A. Keefe, M.B. Rothwell, J.R. Rozen, D.W. Abraham, C. Rigetti, M. Steffen // Physical Review Letters. ‒ 2012. ‒ Vol. 109, Issue 24. ‒ 240505.
  24. Deppe, F. Two-photon probe of the Jaynes–Cummings model and controlled symmetry breaking in circuit QED / F. Deppe, M. Mariantoni, E.P. Menzel, A. Marx, S. Saito, K. Kakuyanag, H. Tanaka, T. Meno, K. Semba, H. Takayanagi, E. Solano, R. Grossi // Nature Physics. ‒ 2008. ‒ Vol. 4. ‒ P. 686-691.
  25. Campagne-Ibarcq, P. Deterministic remote entanglement of superconducting circuits through microwave two-photon transitions / P. Campagne-Ibarcq, E. Zalys-Geller, A. Narla, S. Shankar, P. Reinhold, L. Burkhart, C. Axline, W. Pfaff, L. Frunzio, R.J. Schoelkopf, M.H. Devoret // Physical Review Letters. ‒ 2018. ‒ Vol. 120. ‒ 200501.
  26. Di Stefano, O. Resolution of gauge ambiguities in ultrastrong coupling cavity quantum electrodynamics / O. Di Stefano, A. Settineri, V. Macrì, L. Garziano, R. Stassi, S. Savasta, F. Nori // Nature Physics. ‒ 2019. ‒ Vol. 15. – P. 803-808. – DOI: 10.1038/s41567-019-0534-4.
  27. Felicetti, S. Two-photon quantum Rabi model with superconducting circuits / S. Felicetti, D.Z. Rossatto, E. Rico,  E. Solano, P. Forn-Diaz // Phys. Rev A. – 2018. ‒ Vol. 97. ‒ 013851.
  28. Shevchenko, S.N. Multiphoton transitions in Josephson-junction qubits / S.N. Shevchenko, A.N. Omelyanchouk, E. Il'ichev // Физика низких температур. ‒ 2012. ‒ Т. 38, № 4. ‒ С. 360-381.
  29. Kockum, A.F. Ultrastrong coupling between light and matter / A.F. Kockum, A. Miranowicz, S. De Lierato, S. Savasta, F. Nori // Nature Reviews Physics. ‒ 2019. ‒ Vol. 1. ‒ P. 19-40.
  30. Plenio, M.B. Cavity-loss-induced generation of entangled atoms / M.B. Plenio, S.F. Huelga, A. Beige, P.L. Knight / Physical Review A. ‒ 1999. ‒ Vol. 59. ‒ P. 2468-2475.
  31. Bose, S. Subsystem purity as an  enforcer of entanglement / S. Bose, I. Fuentes-Guridi, P.L. Knight, V. Vedral // Physical Review Letters. ‒ 2001. ‒ Vol. 87. ‒ 050401.
  32. Kim, M.S. Entanglement induced by a single-mode heat environment / M.S. Kim, J. Lee, D. Ahn, P.L. Knight // Physical Review A. ‒ 2002. ‒ Vol. 65. ‒ 040101.
  33. Zhou, L. Entanglement induced by a single-mode thermal field and criteria for entanglement / L. Zhou, H.-S. Song // Journal of Optics B. – 2002 ‒ Vol. 4. ‒ P. 425-429.
  34. Bashkirov, E.K. Entanglement induced by the two-mode thermal noise / E.K. Bashkirov// Laser Physics Letters. ‒ 2006. ‒ Vol. 3. ‒ P. 145-150.
  35. Zhang, B. Entanglement between two qubits interacting with a slightly detuned thermal field / B. Zhang // Optics Communications. ‒ 2010. ‒ Vol. 283. ‒ P. 4676-4679.
  36. Aguiar, L.S. The entanglement of two dipole-dipole coupled in a cavity interacting with a thermal field / L.S. Aguiar, P.P. Munhoz, A. Vidiella-Barranco, J. Roversi // Journal of Optics B. ‒ 2005. ‒ Vol. 7. ‒ P. S769-S771.
  37. Hu, Y.-H. Atomic coherence control on the entanglement of two atoms in two-photon processes / Y.-H. Hu, M.-F. Fang, Q. Wu // Chinese Physics. ‒ 2007. ‒ Vol. 16. ‒ P. 2407-2414.
  38. Hu, Y.-H. Coherence-enhanced entanglement between two atoms at high temperature / Y.-H. Hu, M.-F. Fang, C.-L. Jiang, K. Zeng // Chinese Physics B. ‒ 2008. ‒ Vol. 17. ‒ P. 1784-1790.
  39. Liao, X.-P. The entanglement of two dipole-dipole  coupled atoms interacting with a thermal field via two-photon process / X.-P. Liao, M.-F. Fang, J.-W. Cai, X.-J. Zheng // Chinese Physics B. ‒ 2008. ‒ Vol. 17. ‒ P. 2137-2142.
  40. Bashkirov, E.K. Entanglement between two qubits induced by thermal field / E.K. Bashkirov, M.S. Mastyugin // Journal of Physics: Conference Series. ‒ 2016. ‒ Vol. 735, Issue 1. ‒ 012025.
  41. Bashkirov, E.K. The influence of atomic coherence and dipole-dipole interaction on entanglement of two qubits with nondegenerate two-photon transitions / E.K. Bashkirov,  M.S. Mastyugin // Pramana. ‒ 2006. ‒ Vol. 84(1). ‒ P. 127-135.
  42. Башкиров, Е.К. Перепутывание двух атомов, взаимодействующим с тепловым электромагнитным полем / Е.К. Башкиров, М.П. Ступацкая // Компьютерная оптика. ‒ 2011. ‒ Т. 35, № 2. ‒ С. 243-249.
  43. Башкиров, Е.К. Влияние диполь-дипольного взаимодействия и атомной когерентности на перепутывание двух атомов с вырожденными двухфотонными переходами / Е.К. Башкиров, М.С. Мастюгин // Оптика и спектроскопия. ‒ 2014. ‒ Т. 116, № 4.‒ P. 678-683.
  44. Башкиров, Е.К. Перепутывание двух сверхпроводящих кубитов, взаимодействующих с двухмодовым тепловым полем / Е.К. Башкиров, М.С. Мастюгин // Компьютерная оптика. ‒ 2013. ‒ Т. 37, №3. ‒ С. 278-285.
  45. Башкиров, Е.К. Перепутывание кубитов при наличии атомной когерентности / Е.К. Башкиров, Д.В. Литвинова // Компьютерная оптика. ‒ 2014. ‒ Т. 38, № 4. ‒ C. 663-669.
  46. Bashkirov, E.K. Thermal entanglement between a Jaynes-Cummings atom and an isolated atom / E.K. Bashkirov // International Journal of Theoretical Physics. ‒ 2018. ‒ Vol. 57. ‒ P. 3761-3771.
  47. Cardoso, W.B. Entanglement sudden death via two-photon processes in cavity QED / W.B. Cardoso, A.T. Avelar, B. Baseia, N. de Almeida // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. ‒ 2009. ‒ Vol. 42, Issue 19. ‒ 195507.
  48. Rephaeli, E. Few-photon single-atom cavity QED with input-output formalism in Fock space / E. Rephaeli, S. Fan // IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics. ‒ 2012. ‒ Vol. 18. ‒ P. 1754-1762.
  49. Bashkirov, E.K. The dynamics of entanglement in two-atom Tavis-Cummings model with non-degenerate two-photon transitions for four-qubits initial atom-field entangled states / E.K. Bashkirov, M.S. Mastyugin // Optics Communications. ‒ 2014. ‒ Vol. 313. ‒ P. 170-174.
  50. Yang, G. Quantum nonlinear cavity quantum electrodynamics with coherently prepared atoms / G. Yang, W.-J. Gu, G. Li, B. Zou, Y. Zhu // Physical Review A. ‒ 2015. ‒ Vol. 92. ‒ 033822.
  51. Puebla, R. Probing the dynamics of a superradiant quantum phase transition with a single trapped ion / R. Puebla, M.J. Hwang, J. Casanova, M.B. Plenio // Physical Review A. ‒ 2017. ‒ Vol. 95. ‒ 063844.
  52. Сингх, С. Эволюция запутанности атомов в поле резонатора с различными статистиками в двухфотонном процессе / С. Сингх, К. Гилхаре // Журнал экспериментальной и теоретической физики. ‒ 2018. ‒ Т. 154, № 3. ‒ С. 461-468.
  53. Al Naim, A.F. Effect of Kerr medium and Stark Shift parameter om Wehrl entropy and the field purity for two-photon Jaynes-Cumming model under dispersive approximation / A.F. Al Naim, J.Y. Khan, E.M. Khalil, S. Abdel-Khalek // Journal of Russian Laser Research. ‒ 2019. ‒ Vol. 40, Issue 1. ‒ P. 20-29.
  54. Fink, J.M. Thermal excitation of multi-photon dressed states in circuit quantum electrodynamics / J.M. Fink, M. Baur, R. Bianchetti, S. Filipp1, M. Göppl, P.J. Leek, L. Steffen, A. Blais, A. Wallraff // Physica Scripta. ‒ 2009. ‒ Vol. T137. ‒ 014013.
  55. Zheng, S.-B. Robust and high-speed entanglement engineering in cavity QED and ion trap with a single slightlydetuned interaction / S.-B. Zheng // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. ‒2006. ‒ Vol. 39. ‒ P. 2505-2513.
  56. Башкиров, Е.К. Динамика коллективного спонтанного излучения двух трёхуровневых атомов в резонаторе / Е.К. Башкиров // Оптика и спектроскопия. ‒ 2006. ‒ Т. 100, № 4. ‒ С. 668-671.
  57. Павельев, А.В. Исследование немарковской динамики двух взаимодействующих кубитов на основе численного решения нелинейного стохастического уравнения Шрёдингера / А.В. Павельев, В.В. Семин // Компьютерная оптика. ‒ 2019. ‒ Т. 43, № 2. ‒ С. 168-173. – DOI: 10.18287/2412-6179-2019-43-2-168-173.

© 2009, IPSI RAS
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846) 242-41-24 (ответственный секретарь), +7 (846) 332-56-22 (технический редактор), факс: +7 (846) 332-56-20