[論文レビュー] Cooperative behavior of quantum dipole emitters coupled to a zero-index nanoscale waveguide

Ruzan Sokhoyan, Harry A. Atwater|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 8被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、誘電体コアとシルバークラッドを有するゼロインデックスナノスケール波ガイドに結合されたドーピングエミッタにおける協同的量子効果を調査している。波ガイドのカットオフ周波数近くで動作させることで、ゼロインデックスメタマテリアルとしての挙動を示し、エミッタ間のエンタングルメントに向けた位置決め許容度が緩和され、スーパーラディアンスの空間的スケールが拡張されることを示した。これにより、統合光子システムにおける頑健な集団的量子挙動が可能になる。

ABSTRACT

We study cooperative behavior of quantum dipole emitters coupled to a rectangular waveguide with dielectric core and silver cladding. We investigate cooperative emission and inter-emitter entanglement generation phenomena for emitters whose resonant frequencies are near the frequency cutoff of the waveguide, where the waveguide effectively behaves as zero-index metamaterial. We show that coupling emitters to a zero-index waveguide allows one to relax the constraint on precision positioning of emitters for observing inter-emitter entanglement generation and extend the spatial scale at which the superradiance can be observed.

研究の動機と目的

• ナノスケール波ガイドに結合された量子ドーピングエミッタにおける協同的放射およびエンタングルメント生成を調査すること。
• 波ガイドのカットオフ周波数近くで、ゼロインデックス特性を示す波ガイドの挙動が及ぼす影響を分析すること。
• 集団的量子系におけるエミッタ間エンタングルメントを観測するためのきつい位置決め要件を緩和すること。
• 統合光子プラットフォームにおけるスーパーラディアンスが観測可能な空間的スケールを拡張すること。
• ゼロインデックス波ガイドがスケーラブルな量子光子技術にどう寄与できるかを示すこと。

提案手法

• カットオフ周波数近くでゼロインデックスメタマテリアルとしての挙動を示す、誘電体コアとシルバークラッドを有する長方形波ガイドをモデル化すること。
• ドーピングエミッタと波ガイドのガイドモードとの結合を、量子電磁力学を用いて記述すること。
• 集団的崩壊レートと放射パターンを用いて、協同的放射ダイナミクスを分析すること。
• エミッタ間隔や位置の変化に応じた状態のconcurrence測定値を用いて、エミッタ間エンタングルメントを評価すること。
• 波ガイドのカットオフ周波数に対する異なる周波数におけるシステムの挙動をシミュレートすること。
• 解析的および数値的手法を用いて、波ガイドモードの有効屈折率とモードプロファイルを抽出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゼロインデックス波ガイドへの結合が、量子ドーピングエミッタの協同的放射にどのように影響を与えるか？
• RQ2 このようなシステムにおいて、エミッタの位置決め精度がエミッタ間エンタングルメント生成に及ぼす影響は何か？
• RQ3 ゼロインデックス波ガイドでは、スーパーラディアンスの空間的スケールをどの程度まで拡張できるか？
• RQ4 波ガイドがカットオフ周波数近くで示す挙動が、集団的量子効果にどのように影響を与えるか？
• RQ5 ゼロインデックス波ガイドは、きついナノスケールのアライメント要件がなくても、頑健な量子相関を実現できるか？

主な発見

• 波ガイドのカットオフ周波数近くでは、システムがゼロインデックス特性を示し、エンタングルメント生成に向けたエミッタ位置決めへの感受性が著しく低下する。
• 集団的崩壊レートが広い距離範囲にわたり強く保たれ、従来の波ガイドよりも大きな空間スケールでスーパーラディアンスが実現可能である。
• ゼロインデックス領域における平坦な分散および均一な位相分布のおかげで、エミッタが正確にアライメントされていなくてもエンタングルメントが頑健に維持される。
• 波ガイドは、ほぼゼロの位相速度を持つガイドモードを支持しており、複数のエミッタ間でコherentな結合を可能にする。
• 数値シミュレーションにより、エンタングルメントが、従来のシステムにおける典型的な原子間隔を上回る距離でも生成・維持可能であることが確認された。
• 結果から、ゼロインデックス波ガイドは、製造の許容度が低い統合量子オプティクスプラットフォームとしてのスケーラブルな基盤となる可能性を示唆している。