[論文レビュー] Entangling extreme ultraviolet photons through strong field pair generation

Jamison Sloan, Alexey Gorlach+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2023

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、強い赤外レーザー場が希ガスを駆動することで、電子再結合時の量子真空中の揺らぎを介してもつれ extreme ultraviolet (XUV) 光子対を発生させる、非摂動的非線形光学過程「強場対生成」（SFPG）を提案する。この手法により、広帯域のXUV帯域で1ショットあたり数多くのもつれ対が生成され、背景の高次高調波生成（HHG）とは空間的・スペクトル的に明確に分離される。これにより、背景抑制が4–5桁の程度に達し、アトセカンド・ホン・オウ・マndl correlationが可能となる。

ABSTRACT

Entangled photon pairs are a vital resource for quantum information, computation, and metrology. Although these states are routinely generated at optical frequencies, sources of quantum of light are notably lacking at extreme ultraviolet (XUV) and soft X-ray frequencies. Here, we show that strongly driven systems used for high harmonic generation (HHG) can become versatile sources of entangled photon pairs at these high frequencies. We present a general theory of photon pair emission from non-perturbatively driven systems, which we refer to as "strong field pair generation" (SFPG). We show that strongly driven noble gases can generate thousands of entangled pairs per shot over a large XUV bandwidth. The emitted pairs have distinctive properties in angle and frequency, which can be exploited to discriminate them from the background HHG signal. We connect SFPG theory to the three-step-model of HHG, showing that this pair emission originates from the impact of high frequency vacuum fluctuations on electron recombination. The light produced by SFPG exhibits attosecond Hong-Ou-Mandel correlations, and can be leveraged as a source of heralded single photon attosecond pulses. Our findings aid ongoing efforts to propel quantum optics into the XUV and beyond.

研究の動機と目的

• 極端紫外（XUV）およびソフトX線領域におけるもつれ光子のコンactで非摂動的光源を開発すること。現状、このような光源は極めて乏しい。
• 特に生物学的イメージングに不可欠なXUVおよび「水窓」領域における量子光源の不足を解消すること。
• 既存の高次高調波生成（HHG）プラットフォームを活用し、事前の高周波数光源を必要とせずにもつれ対を生成すること。
• XUVもつれ光子対を用いた、量子計測、イメージング、アトセカンド科学分野における新規応用を可能とすること。
• HHGの三段階モデルと量子真空中の揺らぎを結びつける、強場対生成（SFPG）の理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 強い駆動系からの非摂動的光子対放射を記述する一般化された量子場理論を構築し、これを「強場対生成（SFPG）」と呼ぶ。
• プロセスを、周波数 ω₀ における q 個のポンプ光子（pump photons）が、周波数 ω と ω′ におけるもつれ光子対に変換される過程としてモデル化。ここで、ω + ω′ = qω₀ を満たす。
• 強力な赤外レーザーで駆動される希ガスを用い、強い場下での電子再結合が真空中の揺らぎを介してもつれXUV対を発生させることを示した。
• HHGの三段階モデルを用い、SFPGの起源が再結合段階にあり、真空中の揺らぎが相関した電子運動を誘発することを特定した。
• SFPGは広角の円錐状に発光すること（数十〜数百分の1ラジアン）、これにより、鋭く前方にピークを持つHHG信号と空間的に分離可能であると予測した。
• SFPGは非高調波周波数を生成可能であり、偶数および奇数高調波対を含むため、従来のHHGとスペクトル的に区別可能であることを示した。

Figure 1: Concept of strong field pair generation (SFPG). (a) A strong infrared laser pulse of frequency $\omega_{0}$ is incident on a sample. When SFPG takes place, entangled photon pairs of frequencies $\omega$ and $\omega^{\prime}$ are produced at angles away from the incident axis. (b) Feynman d

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前の高周波数光源を必要とせず、強場駆動のみで極端紫外（XUV）領域にもつれ光子対を生成できるか？
• RQ2 強場対生成（SFPG）は、従来の高次高調波生成（HHG）と比較して、放射パターンの角度的・スペクトル的特性でどのように異なるか？
• RQ3 SFPGの量子的起源は何か？ また、三段階モデルにおける電子再結合時の真空中の揺らぎとどのように関連しているか？
• RQ4 SFPGはHHGの背景に対して顕著な抑制を実現できるか？ これにより、もつれ対の実験的検出が可能になるか？
• RQ5 SFPGは、ハーディング付き単一光子アトセカンドパルスの生成や、光学的周波数とXUV周波数の間の量子インターフェース構築にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 強場対生成（SFPG）は、希ガス標的にて、1レーザーショットあたり最大数千個のもつれ光子対を極端紫外（XUV）帯域で生成可能である。
• SFPG対は広角の円錐状に発光（数10〜数100ミリラジアン）、HHGの狭く前方にピークを持つ背景と空間的に分離可能である。
• 最適なマッチングにより、HHGの背景が最大4–5桁の程度に抑制され、もつれ対のクリアな検出が可能となる。
• SFPGは、標準のHHGに存在しない非縮退対（非高調波周波数を含む）を生成可能であり、偶数および奇数高調波対を含む。
• 発光したXUV光子はアトセカンド・ホン・オウ・マndl相関を示し、もつれの量子的性質を確認するとともに、ハーディング付き単一光子アトセカンドパルスとしての応用が可能となる。
• 理論により、SFPGがHHGの三段階モデルと結びつき、再結合段階における真空中の揺らぎがもつれ対放射の量子的起源であると特定された。

Figure 2: Strong field pair generation from single atoms. (a) HHG spectrum for a 1D model of Neon driven by $800$ nm radiation with intensity $I=200$ TW/cm 2 . The system exhibits a plateau over many harmonics, before reaching a cutoff at $q_{c}\approx 39$ . (b) Differential emission probability of