[論文レビュー] Coherent Perfect Absorption of Single Photons

Sumei Huang, G. Agarwal|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、吸収性物質を含むファブリ・ペロー干渉計およびマイクロリング共振器において、経路エンタングルド単一光子のコherent perfect absorption (CPA) を示し、反射率や複素誘電率定数といった干渉計パラメータを介して吸収効率を正確に制御できることを示している。CPAはまた、位相に敏感な検出、例えばスクリーチングスペクトル測定を用いたエンタングルド光子場に対しても観測される。

ABSTRACT

We examine the question of coherent perfect absorption (CPA) of single photons, and more generally, of the quantum fields by a {\it macroscopic} medium. We show the CPA of path entangled single photons in a Fabry-Perot interferometer containing an absorptive medium. The frequency of perfect absorption can be controlled by changing the interferometer parameters like the reflectivity and the complex dielectric constant of the material. We exhibit similar results for path entangled photons in micro-ring resonators. For entangled fields like the ones produced by a down converter the CPA aspect is evident in phase sensitive detection schemes such as in measurements of the squeezing spectrum.

研究の動機と目的

• マクロな量子系における単一光子のコherent perfect absorption (CPA) の調査。
• 干渉計パララメータ（反射率や誘電率特性など）が経路エンタングルド光子の周波数選択的吸収をどのように制御するかの探求。
• 位相に敏感な検出技術を用いてCPA概念をエンタングルド光子場へと拡張すること。
• スピンダウン変換によって生成される量子場においてCPAの挙動が顕在することを実証すること、特にスクリーチングスペクトル測定を通じて。

提案手法

• 吸収性物質を有するファブリ・ペロー干渉計をモデル化し、経路エンタングルド単一光子のコherent perfect absorptionを研究する。
• 鏡の反射率および吸収性物質の複素誘電率定数を調整することで、完全吸収の周波数をチューニングする。
• 集積光子素子構造におけるCPAの妥当性を検証するため、分析をマイクロリング共振器へと拡張する。
• スクリーチングスペクトル測定などの位相に敏感な検出方式を用い、ダウンコンバーターから生じるエンタングルド光子場におけるCPAを観測する。
• 単一光子およびエンタングルド場とマクロな吸収性物質との相互作用を記述するために、量子場理論を適用する。
• コherent入射状態下での系の応答を分析し、反射や透過が全く発生しない完全吸収の条件を同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 吸収性物質を有するファブリ・ペロー干渉計において、単一光子のコherent perfect absorption が達成可能か？
• RQ2 鏡の反射率および吸収体の複素誘電率定数が、完全吸収の周波数にどのように影響するか？
• RQ3 マイクロリング共振器内における経路エンタングルド光子において、コherent perfect absorption が観測可能か？
• RQ4 エンタングルド光子場においてCPAが顕在するか。もしそうであれば、どのように検出可能か？
• RQ5 スクリーチングスペクトル解析などの位相に敏感な測定は、量子場におけるCPAを明らかにできるか？

主な発見

• 吸収性物質の反射率および誘電率特性を調整することにより、ファブリ・ペロー干渉計で経路エンタングルド単一光子のコherent perfect absorption が実現された。
• 干渉計パラメータの調整により、完全吸収の周波数を制御可能であり、所望の周波数での選択的吸収が可能となった。
• マイクロリング共振器においても同様のCPA挙動が示され、集積光子プラットフォームへのスケーラビリティが示された。
• ダウンコンバーターから生成されるエンタングルド光子場において、特にスクリーチングスペクトル測定を通じてCPAが位相に敏感な検出により観測された。
• 結果から、CPAは量子場においても頑健な現象であることが確認され、古典的光子にとどまらず、単一光子およびエンタングルド光子へと拡張可能であることが示された。
• 理論的枠組みは、コherent入射条件下で反射や透過が完全に発生しない完全吸収の存在を支持している。