Entanglement of two qubits interacting with one-mode quantum field


Cite item

Full Text

Abstract

In the present paper we investigate the dynamics of the system of two twolevel natural or artificial atoms, in which only one atom couples to a thermal one-mode field in finite-Q cavity, since one of them can move around the cavity. For the description of the dynamics of the system we find the eigenvalues and eigenfunctions of a Hamiltonian of the system. With their help we derive the exact expression for a density matrix of the system in case of a pure initial state of atoms and a thermal state of a field. The reduced atomic density matrix is found. The one-qubit transposing of an atomic density matrix is carried out. With its help the Peres-Horodecki criterium is calculated. Numerical calculations of entanglement parameter is done for different initial pure states of atoms and mean photon numbers in a thermal mode. It is found that the thermal field can induce a high degree of qubits entanglement in considered model. Thus we have derived that one can use the strength of dipole-dipole interaction and cavity temperature for entanglement control in the considered system. It is shown also that the maximum degree of entanglement is reached for one-atom excited state.

About the authors

Eugene K Bashkirov

Samara State University

Email: bash@samsu.ru
(Dr. Phys. & Math. Sci.; bash@samsu.ru; Corresponding Author), Professor, Dept. of General and Theoretical Physics 1, Academician Pavlov st., Samara, 443011, Russian Federation

Michail S Mastyugin

Samara State University

Email: mastyugin.mikhail@mail.ru
Postgraduate Student, Dept. of General and Theoretical Physics 1, Academician Pavlov st., Samara, 443011, Russian Federation

References

  1. Башкиров Е. К., Мастюгин М. С. Перепутывание двух кубитов, взаимодействующих с одномодовым квантованным полем / Четвертая международная конференция «Математическая физика и ее приложения»: материалы конф.; ред. чл.-корр. РАН И. В. Волович; д.ф.-м.н., проф. В. П. Радченко. Самара: СамГТУ, 2014. С. 79-80.
  2. Nielsen M. A., Chuang I. L. Quantum Computation and Quantum Information. Cambrige: Cambridge University Press, 2010. xxxii+676 pp.. doi: 10.1017/cbo9780511976667
  3. Schumacker D., Westmoreland M. D. Quantum Processes, Systems, and Information. Cambrige: Cambridge University Press, 2010. xii+469 pp.. doi: 10.1017/cbo9780511814006.
  4. Blatt R., Wineland D. Entangled states of trapped atomic ions // Nature, 2008. vol. 453, no. 7198. pp. 1008-1013. doi: 10.1038/nature07125.
  5. You J. Q., Nori F. Atomic physics and quantum optics using superconducting circuits //Nature, 2011. vol. 474, no. 7353. pp. 589-597, arXiv: 1202.1923 [quant-ph]. doi: 10.1038/nature10122.
  6. Saffman M., Walker T. G., Mølmer K. Quantum information with Rydberg atoms // Rev. Mod. Phys., 2010. vol. 82, no. 3. pp. 2313-2363, arXiv: 0909.4777 [quant-ph]. doi: 10.1103/revmodphys.82.2313.
  7. Buluta I., Ashhab F., Nori F. Natural and artificial atoms for quantum computation // Rep. Prog. Phys., 2011. vol. 74, no. 10, 104401, arXiv: 1002.1871 [quant-ph]. doi: 10.1088/0034-4885/74/10/104401.
  8. Gühne O., Tóth G. Entanglement detection // Physics Reports, 2014. vol. 474, no. 1-6. pp. 1-75, arXiv: 0811.2803 [quant-ph]. doi: 10.1016/j.physrep.2009.02.004.
  9. Plenio M. B., Huelda S. F., Beige A. , Knight P. L. Cavity-loss-induced generation of entangled atoms // Phys. Rev. A, 1999. vol. 59, no. 3. pp. 2468-2475. doi: 10.1103/physreva.59.2468.
  10. Башкиров Е. К., Ступацкая М. П. Перепутывание двух атомов, взаимодействующих с тепловым электромагнитным полем // Компьютерная оптика, 2011. Т. 35, № 2. С. 243-249.
  11. Башкиров Е. К., Мастюгин М. С. Перепутывание двух сверхпроводящих кубитов, взаимодействующих с двухмодовым тепловым полем // Компьютерная оптика, 2013. Т. 37, № 3. С. 278-285.
  12. Башкиров Е. К., Мастюгин М. С. Влияние диполь-дипольного взаимодействия и атомной когерентности на перепутывание двух атомов с вырожденными двухфотонными переходами // Оптика и спектроскопия, 2014. Т. 116, № 4. С. 678-683. doi: 10.7868/S0030403414040060.
  13. Bashkirov E. K., Mastyugin M. S. The dynamics of entanglement in two-atom Tavis-Cummings model with non-degenerate two-photon transitions for four-qubits initial atomfield entangled states // Optics Communications, 2014. vol. 313. pp. 170-174. doi: 10.1016/j.optcom.2013.10.007.
  14. Bose S., Fruentes-Guridi I., Knight P. L., Vedral V. Subsystem purity as an enforcer of entanglement // Phys. Rev. Lett., 2001. vol. 87, no. 5, 050401. doi: 10.1103/physrevlett.87.050401.
  15. Kim M. S., Lee J., Ahn D., Knight P. L. Entanglement induced by a single-mode heat environment // Phys. Rev. A, 2002. vol. 65, no. 4, 040101, arXiv: quant-ph/0109052. doi: 10.1103/physreva.65.040101.
  16. Zhou L., Yi X. X., Song H.-S., Quo Y.-Q. Entanglement of two atoms through different couplings and thermal noise // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt., 2004. vol. 6, no. 9. pp. 378-382, arXiv: quant-ph/0308086. doi: 10.1088/1464-4266/6/9/003.
  17. Башкиров Е. К. Перепутанные состояния в системе двух неидентичных атомов, взаимодействующих с тепловым полем // Вестн. СамГУ. Естественнонаучн. сер., 2006. № 3(43). С. 21-29.
  18. Zhou L., Song H.-S., Li C. Entanglement induced by a single-mode thermal field and criteria for entanglement // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt., 2002. vol. 4, no. 6. pp. 425-429. doi: 10.1088/1464-4266/4/6/310.
  19. Bashkirov E. K. Entanglement induced by the two-mode thermal noise // Laser Phys. Lett., 2006. vol. 3, no. 3. pp. 145-150. doi: 10.1002/lapl.200510081.
  20. Ghosh B., Majumdar A. S., Nayak N. Effects of cavity-field statistics on atomic entanglement in the Jaynes-Cummings model // Int. J. Quantum Inform., 2007. vol. 05, no. 01n02. pp. 169-177, arXiv: quant-ph/0603039. doi: 10.1142/s0219749907002840.
  21. Yan X.-Q. Entanglement sudden death of two atoms successive passing a cavity // Chaos, Solitons & Fractals, 2009. vol. 41, no. 4. pp. 1645-1650. doi: 10.1016/j.chaos.2008.07.007.
  22. Liao Q., Fang G., Ahmad M. A., Liu S. Sudden birth of entanglement between two atoms successively passing a thermal cavity // Optics Communications, 2011. vol. 284, no. 1. pp. 301-305. doi: 10.1016/j.optcom.2010.09.043.
  23. Aguiar L. S., Munhoa P. P., Vidiella-Barranco A., Roversi J. A. The entanglement of two dipole-dipole coupled atoms in a cavity interacting with a thermal field // J. Opt. B: Quantum Semiclass. Opt., 2005. vol. 7, no. 12. pp. S769-S771. doi: 10.1088/1464-4266/7/12/049.
  24. Башкиров Е. К., Ступацкая М. П. Перепутывание двух дипольно связанных атомов // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2009. Т. 12, № 2. С. 85-89.
  25. Liao Xiang-Ping, Fang Mao-Fa, Cai Jian-Wu, Zheng Xiao-Juan The entanglement of two dipole-dipole coupled atoms interacting with a thermal field via a two-photon process // Chinese Phys. B, 2008. vol. 17, no. 6. pp. 2137-2142. doi: 10.1088/1674-1056/17/6/032.
  26. Bashkirov E. K., Stupatskaya M. P. The entanglement of two dipole-dipole coupled atoms induced by nondegenerate two-mode thermal noise // Laser Phys., 2009. vol. 19, no. 3. pp. 525-530. doi: 10.1134/s1054660x09030281.
  27. Marr C., Beige A., Rempe G. Entangled-state preparation via dissipation-assisted adiabatic passages // Phys. Rev. A, 2003. vol. 68, no. 3, 033817, arXiv: quant-ph/0305116. doi: 10.1103/physreva.68.033817.
  28. Mancini S, Bose S. Engineering an interaction and entanglement between distant atoms // Phys. Rev. A, 2004. vol. 70, no. 2, 022307, arXiv: quant-ph/0111055. doi: 10.1103/physreva.70.022307.
  29. Chimczak G. Effcient generation of distant atom entanglement via cavity decay // Phys. Rev. A, 2005. vol. 71, no. 5, 052305. doi: 10.1103/physreva.71.052305.
  30. Lu M., Xia Y., Shen L.-T., Song J., An N. B. Shortcuts to adiabatic passage for population transfer and maximum entanglement creation between two atoms in a cavity // Phys. Rev. A, 2014. vol. 89, no. 1, 012326, arXiv: 1310.5323 [quant-ph]. doi: 10.1103/physreva.89.012326.
  31. Guo Y.-Q., Cao H.-J., Song H.-S. Field tuned atom-atom entanglement via dipole-dipole interaction, 2005. 7 pp., arXiv: quant-ph/0509142
  32. Peres A. Separability Criterion for Density Matrices // Phys. Rev. Lett., 1996. vol. 77, no. 8. pp. 1413-1415, arXiv: quant-ph/9604005. doi: 10.1103/physrevlett.77.1413.
  33. Horodecki M., Horodecki P., Horodecki R. Separability of mixed states: necessary and suffcient conditions // Phys. Lett. A, 1996. vol. 223, no. 1-2. pp. 1-8, arXiv: quantph/9605038. doi: 10.1016/s0375-9601(96)00706-2.
  34. Hu Y.-H., Fang M.-F., Wu Q. Atomic coherence control on the entanglement of two atoms in two-photon processes // Chinese Phys., 2007. vol. 16, no. 8. pp. 2407-2414. doi: 10.1088/1009-1963/16/8/042.
  35. Hu Y.-H., Fang M.-F. Coherence-Enhanced Entanglement Induced by a Two-Mode Thermal Field // Commun. Theor. Phys., 2010. vol. 54, no. 3. pp. 421-426. doi: 10.1088/0253-6102/54/3/08.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2015 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».