[論文レビュー] Different Types of Coherence: Young-type Interference versus Dicke Superradiance

Daniel Bhatti, Manuel Bojer+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 46被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、量子光学における長年のパラドックスを解消し、古典的同期ダイポールによるヤング型干渉と量子力学的ディッケ状態によるディッケ超放射の2種類のコherenceを区別する。量子分散、concurrence、および古典的ダイポールモーメント解析を用いて、著者らはディッケ超放射がダイポール振動ではなく、エンタングルメントに起因する量子コherenceに起因することを示している。これは、類似した遠方強度パターンを生成するが、その背後には異なるメカニズムがあることを示している。

ABSTRACT

Dicke superradiance, i.e., the enhanced spontaneous emission of coherent radiation, is often attributed to radiation emitted by synchronized dipoles coherently oscillating in phase. At the same time, Dicke derived superradiance assuming atoms in entangled Dicke states which do not display any dipole moment. To shed light on this apparent paradox, we study the intensity distribution arising from two identical two-level atoms prepared either in an entangled Dicke state or in a separable atomic state with non-vanishing dipole moment. We find that the two configurations produce similar far field intensity patterns, however, stemming from fundamentally distinct types of coherence: while in the second case the atoms display coherence among the individual particles leading to Young-type interference as known from classical dipoles, atoms in Dicke states possess collective coherence leading to enhanced spontaneous emission. This demonstrates that the radiation generated by synchronized dipoles and Dicke superradiance are fundamentally distinct phenomena and have to be interpreted in different ways.

研究の動機と目的

• ディッケ状態がゼロのダイポールモーメントを持つにもかかわらず、ディッケ超放射が同期ダイポールに起因するとされるパラドックスを解消すること。
• 原子放出における古典的コherence（ヤング型干渉）と量子的コherence（ディッケ超放射）の根本的差異を明確にすること。
• 遠方干渉パターンだけでは、古典的および量子的コherenceメカニズムを区別できないことを示すこと。
• 量子分散、concurrence、および古典的ダイポールモーメントを用いてコherenceタイプを定量的に評価し、直接比較すること。

提案手法

• 同一の2レベル原子を3つの設定で分析：対称的ディッケ状態、重ね合わせ状態、ウェーナー状態。
• 密度行列形式を用いて遠方強度分布を計算し、干渉寄与を特定する。
• エンタングルド状態および分離状態における量子コherenceの尺度として、量子分散とconcurrenceを用いる。
• ダイポールモーメントがゼロでない状態における古典的コherenceの尺度として、グローバルダイポールモーメントを用いる。
• 可視度とコherence特性を異なる設定間で比較し、干渉の物理的起源を特定する。
• 量子光学および量子情報の理論的枠組みを応用し、コherenceタイプを定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ディッケ状態にダイポールモーメントが存在しないにもかかわらず、なぜディッケ超放射が同期ダイポールに起因する古典的干渉と類似した遠方パターンを生成するのか？
• RQ2 ディッケ状態における量子的コherenceと、コherently駆動される原子ダイポールにおける古典的コherenceの違いは何か？
• RQ3 干渉の可視度だけでは、系に存在するコherenceタイプを特定できるか？
• RQ4 量子分散とconcurrenceは、ダイポールモーメントがゼロであるにもかかわらず、ディッケ状態に非古典的相関が存在することをどのように示すか？
• RQ5 古典的ダイポールモーメントと量子コherence尺度は、観測可能な干渉パターンとどの程度相関するか？

主な発見

• ディッケ状態はグローバルにゼロのダイポールモーメントを持つことから、ディッケ超放射が古典的ダイポール振動に起因しないことが確認された。
• ディッケ超放射の遠方強度パターンは、量子コherence（エンタングルメント）に起因しており、古典的ダイポール整列に起因するものではない。
• コherently駆動される原子における古典的コherenceは、可視度が100％未満であるのに対し、ディッケ状態では100％の可視度を示す。
• 量子分散とconcurrenceは、ダイポールモーメントがゼロであるにもかかわらず、ディッケ状態に非古典的相関が存在することを確認した。
• ウェーナー状態は、干渉可視度だけではコherenceタイプを特定できないことを示しており、可視度を超えるコherence尺度の必要性を強調している。
• 本研究は、ディッケ超放射と古典的ヤング型干渉が、異なるコherenceメカニズムに根ざした根本的に異なる現象であることを確立した。