[論文レビュー] Collective super- and subradiant dynamics between distant optical quantum emitters

Alexey Tiranov, Vasiliki Angelopoulou+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2022

Photonic and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、フォトニクスクリスタル波ガイドを介した、遠く離れた光学量子発光体間の整合的で長距離にわたる放射性ドーナツ-ドーナツ結合を実証し、集団的なスーパー・サブラディアン放射の動的制御を可能にした。磁場と励起条件を調整することで、増幅（スーパー放射性）および抑制（サブラディアン）された崩壊ダイナミクスを観測し、オンチップ光子ネットワークを用いたスケーラブルな量子情報処理の基盤を確立した。

ABSTRACT

Photon emission is the hallmark of light-matter interaction and the foundation of photonic quantum science, enabling advanced sources for quantum communication and computing. Although single-emitter radiation can be tailored by the photonic environment, the introduction of multiple emitters extends this picture. A fundamental challenge, however, is that the radiative dipole-dipole coupling rapidly decays with spatial separation, typically within a fraction of the optical wavelength. We realize distant dipole-dipole radiative coupling with pairs of solid-state optical quantum emitters embedded in a nanophotonic waveguide. We dynamically probe the collective response and identify both super- and subradiant emission as well as means to control the dynamics by proper excitation techniques. Our work constitutes a foundational step toward multiemitter applications for scalable quantum-information processing.

研究の動機と目的

• サブ波長限界を越えて、遠く離れた光学量子発光体間の長距離放射性ドーナツ-ドーナツ結合を実現すること。
• 固体状態ナノフォトニクスプラットフォーム上で、集団的放射行動（特にスーパー・サブラディアン）を動的にプローブおよび制御すること。
• 自由空間における急速に減衰するドーナツ-ドーナツ結合の課題を、フォトニクスクリスタル波ガイドを活用して相互作用距離を延長することで克服すること。
• スペクトル的に調整された励起と磁場の調整を用いて、単一励起状態の集団状態の協調的制御を実現すること。
• 時間分解発光ダイナミクスを通じた、協調的結合の実験的証明を提供し、マルチ発光体量子ネットワークの発展を促進すること。

提案手法

• サブ波長限界を超えて相互作用を延長するため、2つの自己組織的形成したInGaAs量子ドット（QDs）間の長距離放射的結合を、フォトニクスクリスタル波ガイド（PCW）を介して媒介した。
• QD遷移周波数をスペクトル的に一致させ、発光体間の共鳴を達成するために、磁場の調整（ゼーマン効果）を用いた。
• ハナリーブラウン・アンド・トゥイスの装置を用いて、波ガイド出力ポート両方からの時間分解単光子発光測定を実施した。
• 共鳴励起のためにスペクトル形状を調整したレーザーパルスを用い、偏光制御により各QDを独立して励起し、励起の相対位相を調整した。
• 放射的崩壊、スペクトル拡散、位相崩壊、および協調的結合を含む、結合ドーナツのマスター方程式に基づく理論モデルを用い、実験データにフィットした。
• ラビ振動を用いて励起パルス面積をキャリブレーションし、3 GHz帯域幅の周波数フィルタ付きレーザーを用いてバックグラウンド励起を抑制した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクス波ガイドを用いることで、遠く離れた光学発光体間の放射的ドーナツ-ドーナツ結合をサブ波長範囲を超えて拡張できるか？
• RQ2 固体系において、スーパー・サブラディアン集団的放射ダイナミクスを実験的に観測および制御できるか？
• RQ3 励起場の相対位相と振幅が、2発光体系の協調的ダイナミクスに与える影響は何か？
• RQ4 位相崩壊とスペクトル拡散は、サブラディアン状態の可視性と寿命にどのような役割を果たすか？
• RQ5 時間分解発光トレースから、協調的結合定数と崩壊率を定量的に抽出できるか？

主な発見

• 1.25 µm 離れた2つの量子ドットにおいて、スーパー放射性（Γ_sup = 0.61 GHz）およびサブラディアン（Γ_sub = 0.12 GHz）の両方の崩壊ダイナミクスが観測された。
• サブラディアン状態は約10 nsの寿命を示し、位相崩壊率が0.03 GHz（γ_d）であった。これは、実験的不確実性にもかかわらず、長寿命なコherenecyを示している。
• 放射的結合定数Γ_23は0.61 GHz、分散的結合定数J_23は0.03 GHzで測定され、強力な光子媒介相互作用が確認された。
• 励起位相θを-0.48πに調整することで、発光における協調的振動の可視度が向上したスーパポジション状態にシステムが駆動された。
• 表S3のパラメータを用いたマスター方程式モデルによる実験データへの理論的フィットが良好に一致し、モデルの予測能力が裏付けられた。
• 直交偏光成分を用いた両QDの共鳴励起により、集団状態の協調的制御が可能になった。励起パルス面積は、ラビ周波数単位でΩ₂ = 0.87(6)、Ω₃ = 1.33(5)であった。