Quantum information processing has originated from new insight that a quantum state serves as a sort of information. The peculiar nature of the quantum world opens up the way to achieve a number of tasks which have no classical counterparts. They include perfectly secure communication, exponential speedup of some computations, and so on. Despite the fruitful results, quantum information processing is very difficult to be realized with a physical system due to the sensitivity of quantum states and quantum operations.
In this dissertation, quantum information processing is briefly introduced, and systems of cavity-trapped single atoms are considered as candidates for physical realization of it. Especially, various single photon input-output processes in the atom-cavity system are presented, and it is shown that they can serve as the essential ingredients for various modes of quantum information processing, such as for conversion and controlled unitary operation between an atomic qubit and a photonic qubit. In that context, new schemes for quantum teleportation of atomic states and for quantum gates between distant atomic qubits are proposed and analyzed both theoretically and numerically concerning various physical and experimental aspects.
본 학위논문에서는 양자정보처리에 대해 간략하게 소개하고, 공동에 포획된 단일 원자가 양자정보처리에 어떻게 활용될 수 있는지에 대해 연구하였다. 특히, 공동의 단일광자 입출력 과정에 연구의 촛점을 맞추었다. 그것을 이용하면, 서로 다른 종류의 큐비트, 즉 원자 큐비트와 광자 큐비트가 상호 변환될 수 있으며 그들 사이의 이큐비트 게이트도 가능해 진다. 이러한 기본적인 양자 연산을 조합함으로써 원자 큐비트 사이 혹은 광자 큐비트 사이의 게이트를 구현할 수도 있다. 따라서 공동의 단일광자 입출력 과정은 양자정보처리에 유용하게 활용될 수 있다.
이러한 맥락에서, 5장에서는 공동에 포획된 원자들을 이용하여 양자원격전송을 구현하기 위한 방식을 제안하였다. 제안된 방식은 단열전송과 편광측정을 기초로 한다. 공동에 포획된 원자의 내부상태를 성공확률 1/2과 유사도 1로 멀리 떨어진 다른 공동에 포획된 원자에 양자전송할 수 있다는 것을 보였다. 주목할 만한 점은 이전의 방식과 달리 양자원격전송이 성공했는지 실패했는지를 측정할 수 있으며, 일단 성공한 경우에는 유사도가 1이란 것이다. 또한, 이 방식이 램-디키 조건의 위배, 약한 원자-공동 상호작용, 자발방출, 측정의 비효율성 등 여러 가지 불완전함에도 강한 성질을 보인다는 것을 보였다.
6장에서는 양자 채널을 매개로 하여 직접 연결된 두 개의 멀리 떨어진 원자 사이에서 조건부 유니터리 연산을 수행하는 방식을 제안하였다. 이를 위해 서너 개의 고전적 펄스가 원자에 순차적으로 가해질 뿐이므로, 추가적인 큐비트나 원자의 초기화, 결잃는 연산 등을 필요로 하지 않는다. 이 방식을 근거리 극한과 원거리 극한의 두 경우에 대해 분석하였다. 특히 원거리 극한의 경우에는 4장에서 설명된 공동의 단일광자 입출력 과정들이 두루 이용된다.
본 학위논문의 연구를 통해 공동 양자전기역학 기반의 양자정보처리 구현을 위한 좀 더 정돈된 체계를 구축할 수 있을 것이다. 특히, 공동의 입출력 과정은 원자 큐비트 혹은 광자 큐비트를 기반으로 한 양자정보처리에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
