[論文レビュー] Coherent Diffusive Photonics

Sebabrata Mukherjee, D. Mogilevtsev+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Neural Networks and Reservoir Computing被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、共通のレザボアを介した光モード間の散逸的結合を活用することで、一貫した拡散的フォトン工学を導入し、もともと混沌とした系においても可逆的な光制御を実現する。実験的に光等化と選択的チャネルルーティングを示し、量子熱力学的意義として、完全な非ランドウラー消去と格子構造内でのコンパクトンに類似した局在状態の出現を示す。

ABSTRACT

The Photonic Circuit has generally been a structure in which light propagates by unitary exchange and where photons transfer reversibly between channels. In contrast, the term diffusive is more akin to a chaotic propagation in scattering media, where light is driven out of coherence towards a thermal mixture. We have devised a way to unite these opposites, founded from the dynamics of open quantum systems and resulting in novel techniques for coherent light control. The crucial feature of these photonic structures is dissipative coupling between modes; an interaction with a common reservoir. We demonstrate experimentally that such systems can perform optical equalisation to smooth multimode light, or act as a distributor, guiding it into selected channels. Quantum thermodynamically, these systems can act as catalytic coherent reservoirs by performing perfect non-Landauer erasure. When extending to lattice structures, localized stationary states can be supported in the continuum, similar to compacton-like states in conventional flat band lattices.

研究の動機と目的

• フォトリック系における一貫（ユニタリ）的および拡散的（混沌的）な光伝搬を統合すること。
• 共通のレザボアへの散逸的結合にもかかわらず、コherentlyを維持するフォトリック構造の開発。
• 等化や選択的チャネル分配のような、新しい光制御技術の実現。
• オープンな量子系における非ランドウラー消去を含む、量子熱力学的利点の探求。
• 連続体に局在する定常状態の出現を、散逸的結合を有するフォトリック格子構造で調査すること。

提案手法

• 共通のレザボアを通じた光モード間の散逸的結合を用いて、一貫的および拡散的ダイナミクスを統合する。
• オープンな量子系のダイナミクスを用いて、モードとレザボアの相互作用をモデル化および設計する。
• エネルギー再分配とモード等化を制御するために、意図的に設計された損失と結合を有するフォトリック回路を設計する。
• 実験的実装を用いて、マルチモード系における光等化と選択的チャネルルーティングを実証する。
• 格子構造へのフレームワークの拡張により、平坦バンド系におけるコンパクトンに類似した状態を連続体内に支持する。
• 熱力学的挙動を分析し、カタ拉的レザボア作用により、完全な非ランドウラー消去が可能であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 散逸的結合を有するフォトリック系において、どのように一貫した制御を維持できるか？
• RQ2 散逸的結合は、マルチモード光において光等化と選択的ルーティングを可能にするか？
• RQ3 オープンな量子フォトリック系における散逸的結合から生じる熱力学的利点は何か？
• RQ4 散逸的結合を有するフォトリック格子は、連続体内に局在する定常状態を支持するか？
• RQ5 このような系は、完全な非ランドウラー消去を実行できるか？

主な発見

• 実験的に光等化が達成され、散逸的結合を通じてマルチモード光が平滑化された。
• 意図的に設計されたレザボア相互作用により、光を事前に定義された出力チャネルに誘導することで、選択的チャネル分配が可能となった。
• フォトリック系は、完全な非ランドウラー消去を可能にするカタラチックな一貫性レザボアとして機能し、ランドウラー原理の従来の限界を破る。
• 格子構造では、連続体内にコンパクトンに類似たモードに類似した局在定常状態が出現した。
• 散逸的結合メカニズムにより、もともと量子デコherenceおよび熱化にかかりやすい系においても、一貫した制御が可能となった。
• オープンな量子系のダイナミクスを活用することで、ユニタリと拡散的光伝搬が統合されたフレームワークが構築された。