[論文レビュー] Coherent Nonlinear Feedback of Quantum Systems with Applications to Quantum Optics on Chip

Jing Zhang, Re-Bing Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2011

Mechanical and Optical Resonators被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、送信線路共振器に組み込まれた量子増幅器を活用することで、測定に基づくフィードバックを上回る強力で本物の非線形量子効果を生成する一貫性のある非線形フィードバック方式を提案する。実験的に実現可能なケル型非線形性と、サブ・ポisson的統計および光子反相関を示す非ガウス的マイクロ波場の生成が実証され、チップ上でのスケーラブルな量子光学の実現が可能となる。

ABSTRACT

In the control of classical mechanical systems, the feedback has been successfully applied to the production of the desired nonlinear dynamics. However, how much this can be done is still an open problem in quantum mechanical systems. This paper proposes a scheme of generating strong nonlinear quantum effects via the recently developed coherent feedback techniques, which can be shown to outperform the measurement-based quantum feedback scheme that can only generate pseudo-nonlinear quantum effects. Such advancement is demonstrated by two application examples in quantum optics on chip. In the first example, we show that the nonlinear Kerr effect can be generated and amplified to be comparable with the linear effect in a transmission line resonator (TLR). In the second example, we show that by tuning the gains of the quantum amplifiers in a TLR coherent feedback network, non-Gaussian light (microwave field) can be generated and manipulated via the nonlinear effects which exhibits fully quantum sub-Poisson photoncount statistics and photon antibunching phenomenon. The scheme opens promising applications in demonstrating strong nonlinear quantum optics on chip, which is extremely weak and inflexible in traditional quantum optical devices.

研究の動機と目的

• 測定に基づく量子フィードバックの限界を克服し、偽の非線形効果しか生じない問題を解消すること。
• 統合量子系において強力で本物の非線形量子ダイナミクスを可能にする一貫性フィードバックフレームワークを開発すること。
• 送信線路共振器を用いたオンチップ量子光学における非線形量子効果の実用的応用を実証すること。
• サブ・ポisson的光子統計や反相関といった量子的特徴を示す非ガウス的マイクロ波場を生成・制御すること。
• コンactな量子フォトニクス回路に統合可能なスケーラブルで柔軟かつ強力な非線形相互作用を実現すること。

提案手法

• 測定による崩壊を回避するため、量子増幅器を送信線路共振器（TLR）に接続した一貫性フィードバックネットワークを実装し、非線形ダイナミクスを誘発すること。
• フィードバックループ内の量子増幅器の利得を調整することで、有効な非線形性の強度と性質を制御すること。
• 一貫性フィードバックアーキテクチャを用いて、線形結合効果と同等の強度を持つ有効なケル型相互作用を生成すること。
• フィードバックループを設計し、マイクロ波帯域における非ガウス的光状態を生成しながら量子コherenceを維持すること。
• 量子光学的手法を用いて、サブ・ポisson的光子統計や光子反相関といった量子的特徴の出現を検証すること。
• オンチップ量子光学プラットフォームへの統合を想定し、フィードバックネットワークを耐障害性とスケーラビリティを備えたものに設計すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 一貫性フィードバックは、測定に基づくフィードバックを上回る本物の非線形量子効果を生成できるか？
• RQ2 TLRネットワークにおける一貫性フィードバックは、従来のケル非線形性の強度を模倣または凌駕できるか？
• RQ3 サブ・ポisson的統計や量子的統計的特徴を示す非ガウス的マイクロ波状態を、一貫性フィードバックで生成・制御できるか？
• RQ4 フィードバックループ内の可変利得を持つ量子増幅器が、量子非線形現象の出現にどのように影響するか？
• RQ5 一貫性フィードバック方式は、強力な非線形性を備えたスケーラブルなオンチップ量子光学を実現できるか？

主な発見

• 一貫性フィードバック方式により、送信線路共振器に強力な有効非線形相互作用が生成され、線形結合効果と同等の強度を示した。
• この方式は測定に基づくフィードバックが生じる偽の非線形性にとどまることなく、本物の非線形量子効果を生成した。
• サブ・ポisson的光子統計を示す非ガウス的マイクロ波場が生成され、光子数の揺らぎが量子的に抑制されていることが示された。
• 光子反相関が観測され、生成されたマイクロ波場の非古典的性質が確認された。
• フィードバックループ内の量子増幅器の利得を調整することで、非線形性の度合いと出力場の性質を動的に制御できるようになった。
• 本アプローチにより、従来の量子光学デバイスが抱える本質的弱さと不柔軟性を克服し、強力で柔軟かつスケーラブルなオンチップ量子光学の実現が可能になった。