El documento se basa en realidad en un esquema de Barret y Koch y probablemente podría entenderse mejor observando la propuesta teórica. De todos modos, intentaré explicar lo que está sucediendo de una manera muy general.
En primer lugar, hablemos de las muestras.
Los centros NV únicos se identificaron en dos muestras de diamantes sintéticos. Debido a que el diamante tiene un índice de refracción muy alto, cualquier emisión de fotones de un solo centro NV se pierde principalmente debido a la reflexión interna total. Por lo tanto, para aumentar la eficiencia de recolección de cada centro NV, el grupo de Hansen utiliza una técnica de fresado por haz de iones para fabricar un domo hemisférico sobre el centro NV de modo que la emisión se pueda acoplar eficientemente del diamante. Este es un procedimiento de preparación de muestra muy importante cuando se trata de experimentos con fotones individuales.
El centro NV tiene una espectroscopía muy bien estudiada. En particular, tiene un estado medio giratorio, que es perfecto para un qubit. El qubit de giro se estabiliza mediante un campo magnético externo que hace que el estado fundamental degenerado de giro se divida. Esto también brinda un control exquisito sobre el qubit y la energía de división.
La manipulación coherente del spin qubit se realiza utilizando un campo de microondas que resuena con la división del spin. El campo de microondas puede conducir coherentemente el spin qubit de un estado a otro cíclicamente. Por lo tanto, si conoce el estado del qubit de antemano, puede manipularlo para crear cualquier estado de superposición que desee.
Ahora en crear enredos.
El primer paso es inicializar el spin qubit de cada centro NV. Esto se hace bombeando ópticamente el estado de giro superior con un láser. Si hay alguna población en el estado de giro superior, se excitará y luego se relajará a los estados de giro más bajos. Debido a que solo está bombeando el estado de centrifugado superior, se agotará rápidamente al relajarse en el estado de centrifugado inferior. Esto significa que puede preparar determinísticamente el qubit en el estado de giro inferior.
Ahora que hemos inicializado ambos qubits en su estado de giro inferior, se puede usar un pulso de microondas para crear una superposición igual de estados de giro superior e inferior. Esto se llama pulso [matemático] \ pi [/ matemático] / 2. Ambos qubits se ponen en este estado de superposición.
A continuación, los qubits interactúan con un pulso láser corto que resuena con el estado de giro inferior. Esto provoca un enredo de espín / fotón, porque la emisión de fotón depende del estado del qubit de espín.
A continuación, el qubit se intercambia por rotación utilizando un pulso [matemático] \ pi [/ matemático] y el pulso de entrelazado de espín / fotón se aplica nuevamente.
El enredo se establece si se detectan dos fotones, uno en cada una de las etapas de espín / fotón.
La detección de fotones debe hacerse utilizando un divisor de haz para que el fotón detectado no pueda asociarse con ningún centro NV en particular. Por lo tanto, sirve solo como un anunciador de fotones y no proporciona ninguna otra información sobre el proceso.
Describí cada etapa, pero para comprender realmente cómo se transfiere el enredo a los dos centros NV, realmente necesitaría mirar el protocolo matemático de Barret y Koch para ver claramente que esto realmente enreda los dos centros NV.
Los elementos clave aquí son las dos etapas de entrelazado de espín / fotón junto con el protocolo de fotodetección que no colapsa la superposición, sino que simplemente anuncia la generación del enredo. Si acabaran de detectar los fotones directamente, en lugar de utilizar el divisor de haz, habría información sobre qué centro NV había emitido el fotón. Este es el tipo de información de qué ruta que mata al gato de Schroedinger (es decir, destruye una superposición cuántica).
Intentaré resumir cómo funciona todo esto y qué puede ser interesante para aquellos que encuentran fascinante el enredo.
Todo en este experimento se realiza localmente, sin embargo, el resultado es un enredo no local entre los qubits de giro. Esto es posible porque el estado enredado es solo un estado correlacionado. Más precisamente, un estado cuántico correlacionado.
Este experimento en realidad demuestra que el enredo no es un misterioso efecto no local. Se puede establecer entre dos partes no locales utilizando interacciones puramente locales.
Los pasos se describen a continuación utilizando una representación simple del estado cuántico, que realmente solo explica todos los resultados de medición posibles.
El primer paso es la preparación del estado. Los dos centros NV se preparan en el estado de centrifugado inferior agotando selectivamente el estado de centrifugado superior,
[matemáticas] | DD \ rangle [/ matemáticas]
Luego, cada centro NV se gira en una superposición igual usando un pulso de microondas [matemático] \ dfrac {\ pi} {2} [/ matemático] (vea el teorema del área de pulso para comprender pulsos de impulso coherentes)
[matemáticas] \ dfrac {\ pi} {2} \ rightarrow (| U \ rangle + | D \ rangle) (| U \ rangle + | D \ rangle) [/ math]
Luego, cada centro NV se bombea con un pulso láser corto que resuena con el estado de giro inferior, lo que hace que cada centro NV se enrede con una única emisión de fotones.
[matemáticas] pulso \ flecha derecha (| U, 0 \ rangle + | D, 1 \ rangle) (| U, 0 \ rangle + | D, 1 \ rangle) [/ math]
Simplemente podemos multiplicar el estado para obtener una base de medición conjunta,
[matemática] | U, U, 0 \ rangle + | D, U, 1 \ rangle + | U, D, 1 \ rangle + | D, D, 2 \ rangle [/ math]
El último término con dos fotones no se puede distinguir de un solo fotón si los dos fotones salen por el mismo puerto, ya que los fotodetectores generalmente no pueden discriminar el número de fotones en cada detección. Por lo tanto, si detectamos un solo fotón, el estado combinado de los dos centros NV tiene la forma,
[matemáticas] | D, U \ rangle + | U, D \ rangle + | D, D \ rangle [/ matemáticas]
Es por eso que se requiere pulso [math] \ pi [/ math]. Siguiendo el pulso [math] \ pi [/ math], el estado tendrá la forma,
[matemáticas] | U, D \ rangle + | D, U \ rangle + | U, U \ rangle [/ matemáticas]
Ahora se usa un segundo pulso de enredo de fotones, lo que resulta en el estado,
[matemáticas] pulso \ flecha derecha | U, D, 1 \ rangle + | D, U, 1 \ rangle + | U, U, 0 \ rangle [/ math]
Por lo tanto, el estado que queda condicionado a la detección de un fotón es el estado entrelazado (porque la detección del fotón elimina la posibilidad de medición [matemática] | U, U \ rangle [/ matemática]),
[matemáticas] | U, D \ rangle + | D, U \ rangle [/ matemáticas]
El entrelazamiento tiene que ver con la información cuántica. Este experimento en realidad toma todos los estados posibles del sistema y los reduce a un estado enredado utilizando el proceso de medición. En particular, la medición de los dos fotones es solo información parcial que colapsa parte de la función de onda, dejando un remanente enredado.
En general, el enredo es un estado no separable de dos o más partes. Aquí la no divisibilidad se produce porque la detección de fotos solo proporciona información parcial sobre los dos sistemas separados, y en particular no distingue qué sistema generó el fotón.
Desde una perspectiva de medición, para dos sistemas qubit separados, cada uno preparado en un estado de superposición igual, hay cuatro resultados de medición posibles. En este caso, se detectaron dos fotones, lo que en realidad reduce las posibilidades de medición a dos. Este es el sello distintivo del enredo: 2 qubits con solo dos resultados de medición correlacionados.
……
Finalmente, me gustaría presentar mis respetos a una de las dos personas que idearon el esquema de enredos remotos. Sean Barret era un joven físico teórico apasionado por la ciencia. Era un colega con el que tuve el placer de reunirme en múltiples ocasiones y trabajar brevemente. Una persona alegre y muy amigable. Sean murió en un trágico accidente cuando se dirigía a una conferencia en Australia, su taxi estuvo involucrado en una colisión con un automóvil robado conducido a alta velocidad.
Solo me enteré cuando leí un artículo de noticias que mencionaba el fatal accidente en el que el pasajero era científico. Tenía curiosidad y busqué un poco más para descubrir esta terrible noticia. RIP Sean!
