Seminarium
z informatyki kwantowej
Splątanie dwóch atomów
Ryszard Tanaś http://zon8.physd.amu.edu.pl/~tanas 28 maja 2004Spis treści 1 Miary splątania 4 1.1 Concurrence . . . 4 1.2 Negativity . . . 5 2 Macierz gęstości 6 2.1 Baza obliczeniowa . . . 6 2.2 Baza Bella . . . 12 3 Ewolucja dwóch atomów 17 3.1 Równanie „master” . . . 17 3.2 Parametry kolektywne . . . 19 3.3 Stany kolektywne . . . 23
3.4 Ewolucja w stanach kolektywnych . . . 24
4 Splątanie dwóch atomów 26
4.1 Concurrence . . . 26
4.2 Negativity . . . 27
4.3 Jeden atom wzbudzony . . . 28
4.4 Dwa atomy wzbudzone . . . 32
4.5 Nieidentyczne atomy . . . 34
1 Miary splątania
1.1 Concurrence
1 Miary splątania
1.1 Concurrence
W.K. Wootters, Phys. Rev. Lett. 80, 2245 (1998)
C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4
1 Miary splątania
1.1 Concurrence
W.K. Wootters, Phys. Rev. Lett. 80, 2245 (1998)
C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4
{λi} — wartości własne macierzy R
R = ρ ˜ρ ˜
1 Miary splątania
1.1 Concurrence
W.K. Wootters, Phys. Rev. Lett. 80, 2245 (1998)
C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4
{λi} — wartości własne macierzy R
R = ρ ˜ρ ˜
ρ = σy ⊗ σy ρ∗ σy ⊗ σy
1.2 Negativity
A. Peres, Phys. Rev. Lett. 77, 1413 (1996)
1.2 Negativity
A. Peres, Phys. Rev. Lett. 77, 1413 (1996)
M. Horodecki, P. Horodecki, R. Horodecki, Phys. Lett. A 223, 1 (1996)
N = max 0, −2 X i νi
{νi} — ujemne wartości własne częściowo transponowanej macierzy
1.2 Negativity
A. Peres, Phys. Rev. Lett. 77, 1413 (1996)
M. Horodecki, P. Horodecki, R. Horodecki, Phys. Lett. A 223, 1 (1996)
N = max 0, −2 X i νi
{νi} — ujemne wartości własne częściowo transponowanej macierzy
gęstości ρT1
2 Macierz gęstości
|g
1i
|e
1i
|e
2i
|g
2i
ω
1ω
22.1 Baza obliczeniowa
|1i = |g1i ⊗ |g2i |2i = |e1i ⊗ |e2i |3i = |g1i ⊗ |e2i |4i = |e1i ⊗ |g2i
2.1 Baza obliczeniowa |1i = |g1i ⊗ |g2i |2i = |e1i ⊗ |e2i |3i = |g1i ⊗ |e2i |4i = |e1i ⊗ |g2i ρ = ρ11 ρ12 0 0 ρ21 ρ22 0 0 0 0 ρ33 ρ34 0 0 ρ43 ρ44
2.1.1 Concurrence
R = ρ ˜ρ ˜
2.1.1 Concurrence R = ρ ˜ρ ˜ ρ = σy ⊗ σy ρ∗ σy ⊗ σy ˜ ρ = ρ22 ρ12 0 0 ρ21 ρ11 0 0 0 0 ρ44 ρ34 0 0 ρ43 ρ33
2.1.1 Concurrence R = ρ ˜ρ ˜ ρ = σy ⊗ σy ρ∗ σy ⊗ σy ˜ ρ = ρ22 ρ12 0 0 ρ21 ρ11 0 0 0 0 ρ44 ρ34 0 0 ρ43 ρ33 np λi o = √ρ11ρ22 − |ρ12|, √ ρ11ρ22 + |ρ12|, √ ρ33ρ44 − |ρ34|, √ρ33ρ44 + |ρ34|
C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4 np λio = √ρ11ρ22 − |ρ12|, √ρ11ρ22 + |ρ12|, √ ρ33ρ44 − |ρ34|, √ ρ33ρ44 + |ρ34|
C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4 np λio = √ρ11ρ22 − |ρ12|, √ρ11ρ22 + |ρ12|, √ ρ33ρ44 − |ρ34|, √ ρ33ρ44 + |ρ34| C = max {0, C1, C2}
C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4 np λio = √ρ11ρ22 − |ρ12|, √ρ11ρ22 + |ρ12|, √ ρ33ρ44 − |ρ34|, √ ρ33ρ44 + |ρ34| C = max {0, C1, C2} C1 = 2 (|ρ12| − √ρ33ρ44 ) C2 = 2 (|ρ34| − √ρ11ρ22 )
2.1.2 Negativity ρT1 = ρ11 ρ43 0 0 ρ34 ρ22 0 0 0 0 ρ33 ρ21 0 0 ρ12 ρ44
2.1.2 Negativity ρT1 = ρ11 ρ43 0 0 ρ34 ρ22 0 0 0 0 ρ33 ρ21 0 0 ρ12 ρ44 {νi} = 1 2 ρ11 + ρ22 ± p(ρ11 + ρ22)2 + 4 (|ρ34|2 − ρ 11ρ22) , 1 2 ρ33 + ρ44 ± p(ρ33 + ρ44)2 + 4 (|ρ12|2 − ρ33ρ44)
N = max n0, p4 (|ρ12|2 − ρ33ρ44) + (ρ33 + ρ44)2 − (ρ33 + ρ44),
p
4 (|ρ34|2 − ρ
11ρ22) + (ρ11 + ρ22)2 − (ρ11 + ρ22)
N = max n0, p4 (|ρ12|2 − ρ33ρ44) + (ρ33 + ρ44)2 − (ρ33 + ρ44), p 4 (|ρ34|2 − ρ 11ρ22) + (ρ11 + ρ22)2 − (ρ11 + ρ22) o = max 0, q C1 C1+ + (ρ33 + ρ44)2 − (ρ33 + ρ44) , q C2 C2+ + (ρ11 + ρ22)2 − (ρ11 + ρ22)
N = max n0, p4 (|ρ12|2 − ρ33ρ44) + (ρ33 + ρ44)2 − (ρ33 + ρ44), p 4 (|ρ34|2 − ρ 11ρ22) + (ρ11 + ρ22)2 − (ρ11 + ρ22) o = max 0, q C1 C1+ + (ρ33 + ρ44)2 − (ρ33 + ρ44) , q C2 C2+ + (ρ11 + ρ22)2 − (ρ11 + ρ22) C1+ = 2 (|ρ12| + √ ρ33ρ44 ) C+ = 2 (|ρ34| + √ρ11ρ22 )
2.2 Baza Bella |Φ+i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i + |g1i ⊗ |g2i = |1 0i = √1 2 |2i + |1i
2.2 Baza Bella |Φ+i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i + |g1i ⊗ |g2i = |1 0i = √1 2 |2i + |1i |Φ−i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i − |g1i ⊗ |g2i = |2 0i = √1 2 |2i − |1i
2.2 Baza Bella |Φ+i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i + |g1i ⊗ |g2i = |1 0i = √1 2 |2i + |1i |Φ−i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i − |g1i ⊗ |g2i = |2 0i = √1 2 |2i − |1i |Ψ+i = √1 2 |e1i ⊗ |g2i + |g1i ⊗ |e2i = |3 0i = √1 2 |4i + |3i
2.2 Baza Bella |Φ+i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i + |g1i ⊗ |g2i = |1 0i = √1 2 |2i + |1i |Φ−i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i − |g1i ⊗ |g2i = |2 0i = √1 2 |2i − |1i |Ψ+i = √1 2 |e1i ⊗ |g2i + |g1i ⊗ |e2i = |3 0i = √1 2 |4i + |3i |Ψ−i = √1 2 |e1i ⊗ |g2i − |g1i ⊗ |e2i = |4 0i = √1 2 |4i − |3i
2.2.1 Transformacja do bazy Bella
2.2.1 Transformacja do bazy Bella ρ0 = U ρU+ U = √1 2 1 1 0 0 −1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 −1 1
2.2.2 Macierz gęstości w bazie Bella ρ1010 = 1 2 ρ11 + ρ22 + (ρ12 + ρ21) ρ2020 = 1 2 ρ11 + ρ22 − (ρ12 + ρ21) ρ1020 = −1 2 ρ11 − ρ22 + (ρ12 − ρ21) ρ2010 = −1 2 ρ11 − ρ22 − (ρ12 − ρ21) ρ3030 = 1 2 ρ33 + ρ44 + (ρ34 + ρ43) ρ4040 = 1 2 ρ33 + ρ44 − (ρ34 + ρ43) ρ3040 = −1 2 ρ33 − ρ44 + (ρ34 − ρ43) ρ4030 = −1 2 ρ33 − ρ44 − (ρ34 − ρ43)
2.2.3 Concurrence
C1 = p(ρ1010 − ρ2020)2 − (ρ1020 − ρ2010)2 −p(ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3040 + ρ4030)2
2.2.3 Concurrence
C1 = p(ρ1010 − ρ2020)2 − (ρ1020 − ρ2010)2 −p(ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3040 + ρ4030)2
C2 = p(ρ3030 − ρ4040)2 − (ρ3040 − ρ4030)2 −p(ρ1010 + ρ2020)2 − (ρ1020 + ρ2010)2
2.2.3 Concurrence C1 = p(ρ1010 − ρ2020)2 − (ρ1020 − ρ2010)2 −p(ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3040 + ρ4030)2 C2 = p(ρ3030 − ρ4040)2 − (ρ3040 − ρ4030)2 −p(ρ1010 + ρ2020)2 − (ρ1020 + ρ2010)2 C = max {0, C , C }
2.2.4 Negativity N = max 0, q C1 C1+ + (ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3030 + ρ4040) , q C2 C2+ + (ρ1010 + ρ2020)2 − (ρ1010 + ρ2020)
2.2.4 Negativity N = max 0, q C1 C1+ + (ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3030 + ρ4040) , q C2 C2+ + (ρ1010 + ρ2020)2 − (ρ1010 + ρ2020) C1+ = p(ρ1010 − ρ2020)2 − (ρ1020 − ρ2010)2 +p(ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3040 + ρ4030)2 C2+ = p(ρ3030 − ρ4040)2 − (ρ3040 − ρ4030)2 +p(ρ 0 0 + ρ 0 0)2 − (ρ 0 0 + ρ 0 0)2
3 Ewolucja dwóch atomów
D
1D
2E
L•
•
r
12µ
1µ
2Geometria układu: µ1, µ2 — momenty dipolowe przejść atomowych, r12
3.1 Równanie „master”
Dwa atomy w próżni
∂ ˆρ ∂t = − i 2 X i=1 ωi [Siz, ˆρ] − i 2 X i6=j Ωij hSi+Sj−, ˆρi −1 2 2 X i,j=1 Γij ρSˆ i+Sj− + Si+Sj−ρ − 2Sˆ j−ρSˆ i+
3.2 Parametry kolektywne Γij = Γji =3 2Γ ( h 1 − ˆµ · ˆrij2i sin k0rij k0rij + h 1 − 3 ˆµ · ˆrij2 i cos k0rij k0rij2 − sin k0rij k0rij3
3.2 Parametry kolektywne Γij = Γji =3 2Γ ( h 1 − ˆµ · ˆrij2i sin k0rij k0rij + h 1 − 3 ˆµ · ˆrij2 i cos k0rij k0rij2 − sin k0rij k0rij3 Ωij =3 4Γ ( − h1 − ˆµ · ˆrij2 i cos k0rij k0rij + h1 − 3 ˆµ · ˆrij2i sin k0rij k0rij 2 + cos k0rij k0rij 3
|g1i
|e1i |e2i
|g2i
ω1 ω2
.
|g1i
|e1i |e2i
|g2i
ω1 ω2 Ω12
.
|g1i |e1i |e2i |g2i ω1 ω2 ω0 ω0 |ei |gi |si Ω12 Ω12 Ω12 |ai .
3.3 Stany kolektywne
|1i = |g1i ⊗ |g2i
|2i = |e1i ⊗ |e2i
|3i = |g1i ⊗ |e2i
3.3 Stany kolektywne |1i = |g1i ⊗ |g2i |2i = |e1i ⊗ |e2i |3i = |g1i ⊗ |e2i |4i = |e1i ⊗ |g2i |gi = |1i |ei = |2i |si = √1 2 |4i + |3i |ai = √1 2 |4i − |3i
3.3 Stany kolektywne |1i = |g1i ⊗ |g2i |2i = |e1i ⊗ |e2i |3i = |g1i ⊗ |e2i |4i = |e1i ⊗ |g2i |gi = |1i |ei = |2i |si = √1 2 |4i + |3i |ai = √1 2 |4i − |3i Eg = − ¯hω0 Ee = ¯hω0 Es = ¯hΩ12 Ea = − ¯hΩ12
3.3 Stany kolektywne |1i = |g1i ⊗ |g2i |2i = |e1i ⊗ |e2i |3i = |g1i ⊗ |e2i |4i = |e1i ⊗ |g2i |gi = |1i |ei = |2i |si = √1 2 |4i + |3i |ai = √1 2 |4i − |3i Eg = − ¯hω0 Ee = ¯hω0 Es = ¯hΩ12 Ea = − ¯hΩ12 ω0 = 1 2(ω1 + ω2) ∆ = 1 2(ω2 − ω1)
3.4 Ewolucja w stanach kolektywnych ˙ ρee = − 2Γρee ˙ ρeg = − (Γ + 2iω0) ρeg ˙ ρss = − (Γ + Γ12) (ρss − ρee) + i∆ (ρas − ρsa) ˙ ρaa = − (Γ − Γ12) (ρaa − ρee) − i∆ (ρas − ρsa) ˙ ρas = − (Γ + 2iΩ12) ρas + i∆ (ρss − ρaa)
3.4 Ewolucja w stanach kolektywnych ˙ ρee = − 2Γρee ˙ ρeg = − (Γ + 2iω0) ρeg ˙ ρss = − (Γ + Γ12) (ρss − ρee) + i∆ (ρas − ρsa) ˙ ρaa = − (Γ − Γ12) (ρaa − ρee) − i∆ (ρas − ρsa) ˙ ρas = − (Γ + 2iΩ12) ρas + i∆ (ρss − ρaa) ρee(t) =ρee(0) e−2Γt ρeg(t) =ρeg(0) e−(Γ+2iω0)t
3.4 Ewolucja w stanach kolektywnych ˙ ρee = − 2Γρee ˙ ρeg = − (Γ + 2iω0) ρeg ˙ ρss = − (Γ + Γ12) (ρss − ρee) + i∆ (ρas − ρsa) ˙ ρaa = − (Γ − Γ12) (ρaa − ρee) − i∆ (ρas − ρsa) ˙ ρas = − (Γ + 2iΩ12) ρas + i∆ (ρss − ρaa) ρee(t) =ρee(0) e−2Γt ρeg(t) =ρeg(0) e−(Γ+2iω0)t S2 (t) = 2[1 − ρ (t)]
3.5 Identyczne atomy
∆ = 1
3.5 Identyczne atomy ∆ = 1 2(ω2 − ω1) = 0 ρss(t) = ρss(0) e−(Γ+Γ12)t + ρ ee(0) Γ + Γ12 Γ − Γ12 e−(Γ+Γ12)t − e−2Γt ρaa(t) = ρaa(0) e−(Γ−Γ12)t + ρ ee(0) Γ − Γ12 Γ + Γ12 e−(Γ−Γ12)t − e−2Γt ρas(t) = ρas(0) e−(Γ+2iΩ12)t ρee(t) = ρee(0) e−2Γt ρeg(t) = ρeg(0) e−(Γ+2iω0)t ρ (t) = 1 − ρ (t) − ρ (t) − ρ (t)
4 Splątanie dwóch atomów
4.1 Concurrence
4 Splątanie dwóch atomów 4.1 Concurrence C(t) = max 0, C2(t) C2(t) = q ρss(t) − ρaa(t)2 − ρsa(t) − ρas(t)2 −2 q ρee(t)ρgg(t)
4 Splątanie dwóch atomów 4.1 Concurrence C(t) = max 0, C2(t) C2(t) = q ρss(t) − ρaa(t)2 − ρsa(t) − ρas(t)2 −2 q ρee(t)ρgg(t) C2+(t) = q ρss(t) − ρaa(t) 2 − ρsa(t) − ρas(t)2 +2 q ρee(t)ρgg(t)
4.2 Negativity
4.2 Negativity
N (t) = max 0, N2(t)
N2(t) =
q
4.2 Negativity N (t) = max 0, N2(t) N2(t) = q C2(t) C2+(t) + ρgg(t) + ρee(t)2 − ρgg(t) + ρee(t) C2(t) = q ρss(t) − ρaa(t) 2 − ρsa(t) − ρas(t) 2 −2 q ρee(t)ρgg(t)
4.2 Negativity N (t) = max 0, N2(t) N2(t) = q C2(t) C2+(t) + ρgg(t) + ρee(t)2 − ρgg(t) + ρee(t) C2(t) = q ρss(t) − ρaa(t) 2 − ρsa(t) − ρas(t) 2 −2 q ρee(t)ρgg(t) C2+(t) = q ρss(t) − ρaa(t) 2 − ρsa(t) − ρas(t)2 +2 q ρee(t)ρgg(t)
4.3 Jeden atom wzbudzony
4.3 Jeden atom wzbudzony
ρ44(0) = 1
4.3 Jeden atom wzbudzony ρ44(0) = 1 ρss(0) = ρaa(0) = ρas(0) = ρsa(0) = 12, ρee(0) = 0 C2(t) = 1 2 q e−(Γ+Γ12)t − e−(Γ−Γ12)t2 + 2e−Γt sin(2Ω12t)2
0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Γ t Concurrence
Concurrence C(t) (ciągła), ρaa(t) − ρss(t) (kreski), ρaa(t) + ρss(t)
(kreski-kropki);
N2(t) =
q
N2(t) = q C22(t) + ρ2gg(t) − ρgg(t) C2(t) = 1 2 q e−(Γ+Γ12)t − e−(Γ−Γ12)t2 + 2e−Γt sin(2Ω12t) 2
N2(t) = q C22(t) + ρ2gg(t) − ρgg(t) C2(t) = 1 2 q e−(Γ+Γ12)t − e−(Γ−Γ12)t2 + 2e−Γt sin(2Ω12t) 2 ρgg(t) = 1 − 1 2 h e−(Γ+Γ12)t + e−(Γ−Γ12)ti
0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Γ t Entanglement
4.4 Dwa atomy wzbudzone
4.4 Dwa atomy wzbudzone ρee = 1 C2(t) = Γ + Γ12 Γ − Γ12 e−(Γ+Γ12)t − e−2Γt − Γ − Γ12 Γ + Γ12 e−(Γ−Γ12)t − e−2Γt − 2e−Γt√ρgg
4.4 Dwa atomy wzbudzone ρee = 1 C2(t) = Γ + Γ12 Γ − Γ12 e−(Γ+Γ12)t − e−2Γt − Γ − Γ12 Γ + Γ12 e−(Γ−Γ12)t − e−2Γt − 2e−Γt√ρgg ρgg(t) = 1− Γ + Γ12 Γ − Γ12 e−(Γ+Γ12)t − e−2Γt + Γ − Γ12 Γ + Γ e−(Γ−Γ12)t − e−2Γt + e−2Γt
0 5 10 15 20 25 30 −0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Γ t Entanglement
Concurrence C(t) (ciągła), negativity N (t) (kreski),
ρaa(t) (kreski-kropki);
4.5 Nieidentyczne atomy 0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Γ t Entanglement
Concurrence C(t) (ciągła), ρaa(t) − ρss(t) (kreski), ρaa(t) + ρss(t)
(kreski-kropki);
5 Nasze prace
• Z. Ficek, R. Tanaś
Correlated superposition states in two-atom systems
in Modern Nonlinear Optics, Part I, ed. M. Evans (Wiley, New York,
2001) vol 119 of Advances in Chemical Physics, pp. 215-266
• Z. Ficek, R. Tanaś
Entangled states and collective nonclassical effects in two-atom systems
Physics Reports 372, 369 (2002)
• Z. Ficek, R. Tanaś
Entanglement induced by spontaneous emission in spatially extended two-atom systems
J. Mod. Opt. 50, 2765 (2003)
• R. Tanaś, Z. Ficek
Fortschr. Phys. 51, 230 (2003)
• R. Tanaś, Z. Ficek
Entangling two atoms via spontaneous emission J. Opt. B 6, S90 (2004)
• R. Tanaś, Z. Ficek
Stationary two-atom entanglement induced by nonclassical two-photon correlations
J. Opt. B 6, S610 (2004)
Dostępne na: http: