[論文レビュー] Broadband thermal light with Bose-Einstein photon statistics from warm atomic vapor

Jaromír Mika, L. Podhora+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Random lasers and scattering media被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、自然な物理的過程を用いて、温かく原子が存在するガス中で、理想のボーズ＝アインシュタイン光子統計に従う広帯域熱光を生成することを示している。この光源は、統計的品質を保ちながら、数百MHzに達するスペクトル帯域幅を達成しており、量子計測、画像処理、量子通信プロトコルの耐障害性テストへの応用を可能にしている。

ABSTRACT

We present the experimental observation of light with ideal thermal statistics generated in a warm atomic vapor. Statistical properties of the generated light field are tested both by the direct measurement of second-order correlation function and by the detailed analysis of photon number distribution, which certifies the quality of the Bose-Einstein statistics generated by natural physical mechanism. We further demonstrate the extension of spectral bandwidth of the generated light to hundreds of MHz domain while keeping the ideal thermal statistics, which suggests a direct applicability of the presented source in a broad range of applications including optical metrology, quantum imaging, tests of robustness of quantum communication protocols, or quantum thermodynamics.

研究の動機と目的

• 温かく原子が存在するガス中で、自然な物理的メカニズムを用いて理想の熱統計に従う光を生成すること。
• 従来の限界を超えて、そのような熱光のスペクトル帯域幅を拡大しながら統計的品質を維持すること。
• 広帯域熱場を必要とする量子技術分野へのこの光源の応用可能性を実証すること。
• 第二順序相関関数および光子数分布の直接測定を通じて、放出光の統計的性質を検証すること。

提案手法

• 温かく原子が存在するガス中での自己発光的四波混合を用いて、広帯域熱光を生成すること。
• 第二順序相関関数 g^(2)(τ) を測定することで、熱統計の直接的検証を行うこと。
• 光子数分布の分析を通じて、ボーズ＝アインシュタイン統計の品質を確認すること。
• 原子密度およびレーザーのパラメータを最適化して、スペクトル帯域幅を数百MHzまで拡大すること。
• 標準的な光学的手法を用いて、放出光場のスペクトル的および統計的特性を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自然な物理的過程を用いて、温かく原子が存在するガス中で、理想のボーズ＝アインシュタイン統計に従う広帯域熱光を生成できるか？
• RQ2 そのような熱光のスペクトル帯域幅を、完全な熱統計を維持したまま、どの程度まで拡大できるか？
• RQ3 測定された第二順序相関関数および光子数分布は、生成された統計の品質をどのように確認するか？
• RQ4 この光源は、広帯域熱場を必要とする量子技術分野において、実用的に応用可能か？

主な発見

• 測定された第二順序相関関数および光子数分布の詳細な分析により、生成された光が理想の熱統計に従うことが確認された。
• 統計的品質に劣化を来さずに、熱光のスペクトル帯域幅が数百MHzの範囲まで拡大された。
• 外部による統計の設計を要せず、自然な物理的メカニズム（温かく原子が存在するガス中の自己発光的四波混合）に依存する。
• 広帯域熱光源は、量子画像処理、光的計測、量子通信プロトコルの耐障害性テストに直接応用可能である。
• 光子数分布の分析により、ボーズ＝アインシュタイン統計が高精度で再現されており、理想の熱的挙動からの最小限の逸脱が示された。