[論文レビュー] Characterizing micro-macro transitions with an atomic-vapor-based linear optical amplifier

Zhifan Zhou, Ulrich Vogl+5 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

Quantum optics and atomic interactions参考文献 40被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ホットルビジウム蒸気における四波混合を用いて、マイクロ・マクロ遷移を特徴付ける高利得、原子蒸気ベースの線形光増幅器を提案する。10⁷の光増幅度を達成し、従来の検出器を用いて単一光子レベルの入力の光子数分解能検出を可能にする。群速度遅延は、入射光子数の平均値Nの逆数平方根に比例し、1/√Nに比例する。プローブモードとコンジュゲートモードはそれぞれ異なるスケーリング係数を示し、量子的から古典的へと移行する過程を感受性の高いパラメータとして特徴づけることができる。

ABSTRACT

Fundamentally, the dynamics of micro-macro transitions is instrumental to understanding the process of quantum-to-classical transitions; technologically, it can also facilitate the detection of the microscopic signals in quantum experiments via convenient detectors. Here, we demonstrate a scheme to characterize micro-macro transitions based on a four-wave mixing linear optical amplification process in a hot rubidium vapor. The linear optical amplifier provides a large optical gain of $10^7$ for injected single-photon-level pulses, enabling photon-number-resolving detection by average via non-single-photon counting detectors with a large dynamic range. The scheme exhibits strong dispersion which is sensitive to the input's change at the single-photon level, resulting in the group-velocity delay time scaling with $1/\sqrt{N}$, where $N$ is the average input photon number. The output probe and conjugate modes have different coefficients of this $1/\sqrt{N}$ scaling, indicating the coefficient can serve as an efficient parameter to characterize the specified micro-macro transitions. The demonstrated results are generally applicable for quantum detection and optical signal processing in light-atom interfaces. Furthermore, the present system is suitable for the study of relevant time-resolved dynamics of the quantum-to-classical transitions.

研究の動機と目的

• 量子的から古典的へと移行する動的過程におけるマイクロ・マクロ遷移を実験的にプローブする手法を開発すること。
• 非一様な幅による影響でマイクロレベルの入力変化が解像できない既存のシステムの限界を克服すること。
• 広動態範囲を持つ単一光子カウンティングを行わない検出器を用いて、単一光子レベルの信号の光子数分解能検出を可能にすること。
• 分散に敏感な群速度遅延スケーリングを用いて、マイクロ・マクロ遷移の時間的ダイナミクスを特徴づけること。
• 異なるマイクロ・マクロ遷移挙動を区別するためのスケーラブルで定量的なパラメータとして、遅延時間の1/√N依存性におけるスケーリング係数を同定すること。

提案手法

• ホットルビジウム-85蒸気中における二重ラムダ型配置を用いた四波混合を用いて、線形光増幅を実現する。
• 線形性を維持し、自己発光および共鳴吸収を抑制するために、強力で非消耗のポンプビームを用いる。
• 電磁誘起透過に類似した量子干渉を活用し、非線形性を強化するとともに、強い分散を誘導する。
• 平均入射光子数Nの関数として群速度遅延時間を測定し、1/√Nスケーリングの挙動を観測する。
• 非単一光子カウンティング検出器を用いて増幅出力パルスを測定し、広い動的範囲での光子数分解能を実現する。
• プローブおよびコンジュゲート出力モードの両方を分析し、それぞれの異なる1/√Nスケーリング係数を比較することで、吸収および分散の差を反映する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、単一光子レベルの入力変化に感受性を持つマイクロ・マクロ遷移を実験的に解像できるか？
• RQ2 高分散性原子媒体において、群速度遅延時間は平均入射光子数Nに対してどのようにスケーリングするか？
• RQ3 1/√N遅延依存性のスケーリング係数は、異なるマイクロ・マクロ遷移経路を区別するための特徴的なパラメータとして機能できるか？
• RQ4 線形光増幅器は、従来の単一光子カウンティングを行わない検出器を用いて、どのように光子数分解能検出を可能にするか？
• RQ5 プローブおよびコンジュゲートビームにおける差分吸収が、遅延時間スケーリング係数にどのように寄与するか？

主な発見

• 本システムは、単一光子レベルの入力パルスに対して10⁷の光増幅度を達成し、標準的な検出器を用いてマクロな検出を可能にする。
• 群速度遅延時間は、平均入射光子数が約1から約800の範囲で1/√Nに比例するスケーリングを示し、理論的予測と定量的に一致する。
• プローブモードの1/√Nスケーリング係数は0.729 ± 0.292 × 10⁵ GHz/√pWであり、コンジュゲートモードは2.154 ± 0.33 × 10⁵ GHz/√pWであり、それぞれ異なる分散応答を示している。
• コンジュゲートモードにおけるパルス形状は、低入力パワーでも最小限の歪みを示し、ピーク振幅は予測された1/√N依存性に従う。
• 観測された遅延時間スケーリングは、広い動的範囲で安定かつ測定可能であり、本システムが時間分解能を有する量子ダイナミクス研究に適していることを確認する。
• プローブとコンジュゲートビーム間のスケーリング係数の差が、特定のマイクロ・マクロ遷移プロセスを感受性の高い定量的パラメータとして特徴づける手がかりを提供する。