• Nie Znaleziono Wyników

Splątanie dwóch atomów (pdf)

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Splątanie dwóch atomów (pdf)"

Copied!
76
0
0

Pełen tekst

(1)

Seminarium

z informatyki kwantowej

Splątanie dwóch atomów

Ryszard Tanaś http://zon8.physd.amu.edu.pl/~tanas 28 maja 2004

(2)

Spis 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

(3)

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

(4)

1 Miary splątania

1.1 Concurrence

(5)

1 Miary splątania

1.1 Concurrence

W.K. Wootters, Phys. Rev. Lett. 80, 2245 (1998)

C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4

(6)

1 Miary splątania

1.1 Concurrence

W.K. Wootters, Phys. Rev. Lett. 80, 2245 (1998)

C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4

i} — wartości własne macierzy R

R = ρ ˜ρ ˜

(7)

1 Miary splątania

1.1 Concurrence

W.K. Wootters, Phys. Rev. Lett. 80, 2245 (1998)

C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4

i} — wartości własne macierzy R

R = ρ ˜ρ ˜

ρ = σy ⊗ σy ρ∗ σy ⊗ σy

(8)

1.2 Negativity

A. Peres, Phys. Rev. Lett. 77, 1413 (1996)

(9)

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  

i} — ujemne wartości własne częściowo transponowanej macierzy

(10)

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  

i} — ujemne wartości własne częściowo transponowanej macierzy

gęstości ρT1

(11)

2 Macierz gęstości

|g

1

i

|e

1

i

|e

2

i

|g

2

i

ω

1

ω

2

(12)

2.1 Baza obliczeniowa

|1i = |g1i ⊗ |g2i |2i = |e1i ⊗ |e2i |3i = |g1i ⊗ |e2i |4i = |e1i ⊗ |g2i

(13)

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        

(14)

2.1.1 Concurrence

R = ρ ˜ρ ˜

(15)

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        

(16)

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|

(17)
(18)

C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4 np λio = √ρ11ρ22 − |ρ12|, √ρ11ρ22 + |ρ12|, √ ρ33ρ44 − |ρ34|, √ ρ33ρ44 + |ρ34|

(19)

C = max 0, pλ1 − pλ2 − pλ3 − pλ4 np λio = √ρ11ρ22 − |ρ12|, √ρ11ρ22 + |ρ12|, √ ρ33ρ44 − |ρ34|, √ ρ33ρ44 + |ρ34| C = max {0, C1, C2}

(20)

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 )

(21)

2.1.2 Negativity ρT1 =         ρ11 ρ43 0 0 ρ34 ρ22 0 0 0 0 ρ33 ρ21 0 0 ρ12 ρ44        

(22)

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) 

(23)

N = max n0, p4 (|ρ12|2 − ρ33ρ44) + (ρ33 + ρ44)2 − (ρ33 + ρ44),

p

4 (|ρ34|2 − ρ

11ρ22) + (ρ11 + ρ22)2 − (ρ11 + ρ22)

(24)

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) 

(25)

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 )

(26)

2.2 Baza Bella |Φ+i = √1 2 |e1i ⊗ |e2i + |g1i ⊗ |g2i = |1 0i = 1 2 |2i + |1i 

(27)

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 

(28)

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 

(29)

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 

(30)

2.2.1 Transformacja do bazy Bella

(31)

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        

(32)

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) 

(33)

2.2.3 Concurrence

C1 = p(ρ1010 − ρ2020)2 − (ρ1020 − ρ2010)2 −p(ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3040 + ρ4030)2

(34)

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

(35)

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 }

(36)

2.2.4 Negativity N = max  0, q C1 C1+ + (ρ3030 + ρ4040)2 − (ρ3030 + ρ4040) , q C2 C2+ + (ρ1010 + ρ2020)2 − (ρ1010 + ρ2020) 

(37)

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

(38)

3 Ewolucja dwóch atomów

D

1

D

2

E

L

r

12

µ

1

µ

2

Geometria układu: µ1, µ2 — momenty dipolowe przejść atomowych, r12

(39)

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+

(40)

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       

(41)

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      

(42)

|g1i

|e1i |e2i

|g2i

ω1 ω2

.

(43)

|g1i

|e1i |e2i

|g2i

ω1 ω2 Ω12

.

(44)

|g1i |e1i |e2i |g2i ω1 ω2 ω0 ω0 |ei |gi |si Ω12 Ω12 Ω12 |ai .

(45)

3.3 Stany kolektywne

|1i = |g1i ⊗ |g2i

|2i = |e1i ⊗ |e2i

|3i = |g1i ⊗ |e2i

(46)

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 

(47)

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

(48)

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)

(49)

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)

(50)

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

(51)

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)]

(52)

3.5 Identyczne atomy

∆ = 1

(53)

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)

(54)

4 Splątanie dwóch atomów

4.1 Concurrence

(55)

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)

(56)

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)

(57)

4.2 Negativity

(58)

4.2 Negativity

N (t) = max 0, N2(t)

N2(t) =

q

(59)

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)

(60)

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)

(61)

4.3 Jeden atom wzbudzony

(62)

4.3 Jeden atom wzbudzony

ρ44(0) = 1

(63)

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

(64)

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);

(65)

N2(t) =

q

(66)

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

(67)

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

(68)

0 1 2 3 4 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Γ t Entanglement

(69)

4.4 Dwa atomy wzbudzone

(70)

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

(71)

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 

(72)

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);

(73)

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);

(74)

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

(75)

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:

(76)

Cytaty

Powiązane dokumenty

Jest ona w pe- wien sposób stacjonarna – nie zmienia się przy obej- ściu orbity wokół jądra.. Gdyby natomiast nie był speł- niony postulat Bohra, to nie mogłaby ona „w

From a certain temperature on, the molecules condense without attractive forces, that is, they accumulate at zero velocity. The theory is pretty but is there also some truth

Wskaż zestaw, w którym znajduje się błędnie zapisany wzór sumaryczny związku chemicznego.. W reakcji chemicznej dwóch dwuatomowych cząsteczek azotu i trzech dwuatomowych

W reakcji chemicznej dwóch cząsteczek tlenku węgla(II) oraz jednej dwuatomowej cząsteczki tlenu powstają dwie cząsteczki tlenku węgla(IV).. Wskaż poprawny zapis cząsteczkowy

Na zajęciach wykorzystamy formalizm Lagrange’a do przeanalizowania kilku szczególnych przy- padków zachowania jednowymiarowego łańcuch atomów pokazanego na rysunku 1.. Zakładamy

liśmy wyżej, zachowują się jakby były wypełnione w sposób ciągły, a to dzięki niezmiernie wielkiej liczbie atomów. Jeż eli atom ma być układem drgającym,

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawami metod obrazowania w medycynie, które wykorzystują izotopy promieniotwórcze oraz analiza danych

Oddziaływanie globalizacji finansowej na sferę obsługi finansowej gospodarstw rolnych rozpatrywano przez pryzmat takich procesów jak: konsolidacja i koncentracja