[論文レビュー] Controllable non-reciprocal transmission of single photon in Mobius structure

Hai‐Yuan Zhu, Xin‐Yuan Hu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 43被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、2つの無限にのびた1次元鎖に結合されたMöbiusリング構造と、1つのキャビティに埋め込まれた2準位原子を用いた、制御可能な非再帰的1光子伝送デバイスを提案する。グリーン関数法を用いて、原子が量子スイッチとして機能し、前向きと後向きの方向で顕著に異なる光子伝送を実現する可変非再帰的伝送を示している。これは、量子非再帰的デバイスの有望なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

We propose a controllable non-reciprocal transmission model. The model consists of a Mobius ring, which is connected with two one-dimensional semi-infinite chains, and with a two-level atom located inside one of the cavities of the Mobius ring. We use the method of Green function to study the transmittance of a single photon through the model. The results show that the non-reciprocal transmission can be achieved in this model and the two-level atom can behave as a quantum switch for the non-reciprocal transport of the single photon. This controllable non-reciprocal transmission model may inspire new quantum non-reciprocal devices.

研究の動機と目的

• トポロジカルなMöbiusリング構造を用いて、制御可能な非再帰的1光子伝送システムを設計すること。
• Möbiusリングキャビティに埋め込まれた2準位原子が、光子輸送の方向性に与える影響を調査すること。
• 外部磁場を用いず、コンパクトで完全に光的な量子系で強い非再帰性を達成できるかを検討すること。
• トポロジカル光物理学と量子発光体に基づく、量子非再帰的デバイスの理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• システムは、2N個のキャビティからなるMöbiusリングと、2つの無限にのびた1次元鎖から構成され、タイトバインディングハミルトニアンでモデル化される。
• Möbiusリングのハミルトニアンには、リング内結合（ξ）、リング間結合（V）、および周期性を破る非周期的境界条件（aN = b0, bN = a0）が含まれる。
• 2準位原子が1つのキャビティ（an）に埋め込まれており、キャビティ場とジャインズ＝カーマイクル型相互作用でモデル化される。
• グリーン関数法を用いて、システムを通る1光子伝送係数を計算する。
• 非再帰性を誘導する原子の役割を分離するために、2準位原子が存在する場合と存在しない場合の2つの状況でシステムを分析する。
• 局所的ユニタリ変換を介して導入された非自明な位相シフト（ϕj = j·2π/N）により、Möbiusリングのエネルギー準位構造を計算し、トポロジカルバンド構造を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Möbiusリング構造は、そのトポロジカル性質により、非再帰的1光子伝送を支持できるか？
• RQ2 Möbiusリングのキャビティに埋め込まれた2準位原子の存在が、光子伝送の方向性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 2準位原子が非再帰的伝送を制御する量子スイッチとして、どの程度の役割を果たせるか？
• RQ4 Möbiusリングにおける非周期的境界条件が、方向性のある光子輸送を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 外部磁場や非線形材料に依存せずに、このシステムが強い非再帰性を達成できるか？

主な発見

• Möbiusリング構造は、非周期的境界条件のおかげで固有に再帰性を破り、原子が存在しない場合でも非対称な伝送が生じる。
• リング内のキャビティに埋め込まれた2準位原子は、量子スイッチとして機能する：原子が励起状態にあると、前向きと後向きの伝送が著しく異なり、最大で50%の差が生じる。
• 伝送スペクトルには、左から右への入射と右から左への入射におけるピーク位置と振幅の明確な非対称性が観察され、非再帰性が確認された。
• 非再帰性は、原子の準位占有状態によって調整可能であり、原子がキャビティモードと共鳴しているとき、強い方向制御が実現される。
• Möbiusリングのエネルギー準位構造には、非自明なトポロジカルバンド構造とバンドギャップが存在し、これにより強固なエッジ状モードが形成され、方向性輸送に寄与する。
• グリーン関数アプローチにより、外部磁場が存在しない状況でも、伝送振幅 T_L→R ≠ T_R→L が明確に示され、非再帰的挙動が正しく捉えられている。