Mesure de non-démolition quantique économe en énergie avec une interface spin-photon

Mesure de non-démolition quantique économe en énergie avec une interface spin-photon

Horodatage: 31 août 2023 6:42

Maria Maffei1, Bruno O. va2, Stephen C. Wein2,3, Andrew N.Jordan4,5, Loïc Lanco6, et Alexia Auffèves7,8

1Dipartimento di Fisica, Université de Bari, I-70126 Bari, Italie
2Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel, 38000 Grenoble, France
3Quandela SAS, 10 Boulevard Thomas Gobert, 91120 Palaiseau, France
4Institute for Quantum Studies, Chapman University, 1 University Drive, Orange, CA 92866, États-Unis
5Département de physique et d'astronomie, Université de Rochester, Rochester, New York 14627, États-Unis
6Université Paris Cité, Centre de Nanosciences et Nanotechnologies (C2N), F-91120 Palaiseau, France
7MajuLab, Laboratoire Mixte International de Recherche CNRS–UCA-SU-NUS-NTU
8Centre des technologies quantiques, Université nationale de Singapour, 117543 Singapour, Singapour

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Abstract

Les interfaces spin-photons (SPI) sont des dispositifs clés des technologies quantiques, visant à transférer de manière cohérente des informations quantiques entre les qubits de spin et à propager des impulsions de lumière polarisée. Nous étudions le potentiel d'un SPI pour les mesures de non-démolition quantique (QND) d'un état de spin. Après avoir été initialisée et diffusée par le SPI, l’état d’une impulsion lumineuse dépend de l’état de spin. Il joue ainsi le rôle d'un état pointeur, l'information étant codée dans les degrés de liberté temporels et de polarisation de la lumière. En nous appuyant sur la résolution entièrement hamiltonienne de la dynamique de la lumière de spin, nous montrons que les superpositions quantiques d'états de photons nuls et uniques surpassent les impulsions de lumière cohérentes, produisant des états de pointeurs qui se distinguent mieux avec le même budget de photons. L'avantage énergétique fourni par les impulsions quantiques par rapport aux impulsions cohérentes est conservé lorsque les informations sur l'état de spin sont extraites au niveau classique en effectuant des mesures projectives sur les impulsions lumineuses. Les schémas proposés sont robustes face aux imperfections des dispositifs semi-conducteurs de pointe.

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Image présentée : Nous étudions la mesure de non-démolition quantique (QND) d'un spin dans une interface spin-photon (SPI). Après avoir été initialisée et diffusée par le SPI, l’état d’une impulsion lumineuse dépend de l’état de spin. Il joue ainsi le rôle d'un état pointeur, l'information étant codée en degrés de liberté de phase et de polarisation de la lumière. Notre étude est fondée sur une nouvelle résolution, entièrement hamiltonienne, de la dynamique spin-lumière basée sur une généralisation du modèle de collision.

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Résumé populaire

Les interfaces spin-photons (SPI) sont des dispositifs clés des technologies quantiques, visant à transférer de manière cohérente des informations quantiques entre les qubits de spin (qubits de stockage) et les impulsions de propagation de lumière polarisée (qubits volants). Suivant une voie récemment ouverte dans les domaines de la technologie quantique et de la métrologie quantique, nous explorons le potentiel des SPI pour effectuer des opérations économes en énergie en exploitant les ressources quantiques. L'opération que nous analysons est la pierre angulaire de la plupart des applications technologiques basées sur les SPI : la mesure de non-démolition quantique (QND) du spin. Après avoir été initialisée et diffusée par le SPI, l’état d’une impulsion lumineuse dépend de l’état de spin. Il joue ainsi le rôle d'un état pointeur, l'information étant codée dans les degrés de liberté temporels et de polarisation de la lumière. Notre étude est fondée sur une nouvelle résolution, entièrement hamiltonienne, de la dynamique spin-lumière basée sur une généralisation du modèle de collision. Nous explorons l'impact de différentes statistiques photoniques du champ de propagation sur la qualité de la mesure QND à énergie fixe. Nous nous concentrons sur un régime de basse énergie où la lumière transporte au maximum une excitation en moyenne et comparons un champ cohérent avec une superposition quantique d'états de photons nuls et uniques. Nous constatons que cette dernière donne lieu à une mesure QND du spin plus précise que la première, offrant ainsi un avantage quantique énergétique. Nous montrons que cet avantage est robuste face aux imperfections réalistes des implémentations de SPI de pointe avec des points quantiques.

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