[論文レビュー] Entangling one polariton with a photon: effect of interactions on a single-polariton quantum state

Álvaro Cuevas, Blanca Silva+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2016

Strong Light-Matter Interactions参考文献 51被引用数 29

ひとこと要約

本研究では、2光子もつれ状態からの光子とマイクロカビティ励起子ポラリトンとのスワップを介して、真正の量子的単一ポラリトン状態の実験的実現を初めて示した。これにより、ポラリトン同士の相互作用がもたらす量子的性質の変化が明らかになった。主な結果は、単一光子と単一ポラリトンの間で非古典的もつれが観測されたことで、超完全量子状態トモグラフィーにより確認され、ポラリトンを用いた量子情報処理への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

Polaritons are quasi-particles originating from the coupling of light with matter that demonstrated quantum phenomena at the many-particle mesoscopic level, such as BEC and superfluidity. A highly sought and long-time missing feature of polaritons is a genuine quantum manifestation of their dynamics at the single-particle level. Although they are conceptually perceived as entangled states and theoretical proposals abound for an explicit manifestation of their single-particle properties, so far their behaviour has remained fully accountable for by classical and mean-field theories. In this Article, we report the first experimental demonstration of a genuinely-quantum manifestation of microcavity polaritons, by swapping, in a two-photon entangled state generated by parametric down-conversion, a photon for a polariton. Furthermore, we show how single polaritons are affected by polariton-polariton interactions in a propaedeutic demonstration of their qualities for quantum information applications.

研究の動機と目的

• ポラリトン系における長年の古典的・平均場的記述の優位性を克服し、単一ポラリトン動的の真正の量子的現れを示すこと。
• 単一ポラリトンと光子がもつれた非凸的・非ガウス的量子状態を実験的に実現・特徴付け、完全な量子情報処理能力を可能とすること。
• マイクロカビティ系におけるポラリトン同士の相互作用が、単一ポラリトン状態の量子コherー二ンスともつれ忠実度に与える影響を調査すること。
• 今後の量子技術に向けたスケーラブルで強い相互作用を示す量子粒子として、マイクロカビティポラリトンの実用可能性を検証すること。

提案手法

• サナック干渉計を用いて、自己誘導非線形効果による二光子もつれ状態を生成し、そのうちの1光子（アイドラー光子）をポラリトン源へ誘導する。
• ガリウム砒素/アルミニウムガリウムヒ素量子井戸（20 K）における強い光物質結合を介して、アイドラー光子とマイクロカビティ励起子ポラリトンをスワップし、ハイブリッド光子-ポラリトンもつれ状態を生成する。
• 水平・垂直、対角、円偏光の3つの測定基底を用い、順次ウェーブプレートと偏光ビームスプリッターを介した投影測定を実施することで、超完全量子状態トモグラフィーを実行する。
• 信号光子とアイドラー光子の一致測定を、シングルモードファイバー結合型avalanche光検出器を用いて記録し、もつれ状態の密度行列を再構築する。
• 非線形測定に用いられる連続波レーザーに起因する古典的バックグラウンドは、同期をとらないトモグラフィーを用いて差し引かれ、ポンピングパワー、光子エネルギー、ポラリトン寿命（2 ps）、スポットサイズを用いてキャリブレーションされた。
• 最大出力時のポラリトン密度は1秒あたり230個であり、706 μm²のスポット内では約3.25 × 10¹¹ cm⁻²の密度に相当する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一ポラリトンを、光子と非古典的相関を示す真正の量子状態に準備することは可能か？
• RQ2 ポラリトン同士の相互作用は、単一ポラリトン状態の量子コherー二ンスともつれ忠実度にどのように影響を与えるか？
• RQ3 光子とのもつれスワップを介して、単一ポラリトンの量子的性質を実験的に検証できるか？
• RQ4 実際のデバイスにおいて、古典的バックグラウンドとデコherence機構は、非古典的ポラリトン状態の観測をどの程度制限するか？

主な発見

• 実験的に、単一光子と単一マイクロカビティ励起子ポラリトンとのもつれが成功裏に実現され、古典的または平均場的記述を超える真正の量子状態であることが確認された。
• 超完全量子状態トモグラフィーにより、ターゲットのベルに類似した状態との忠実度が0.92 ± 0.03に達したことが判明し、もつれ光子-ポラリトン状態の高忠実度生成が示された。
• ポラリトン同士の相互作用が量子状態を変化させることを示し、励起パワーの変化に伴いもつれ構造に測定可能なシフトが生じ、単一ポラリトンレベルでの非自明な多体効果が確認された。
• 同期をとらないトモグラフィーを用いて、連続波レーザーに起因する古典的バックグラウンドが成功裏に差し引かれ、非古典的相関の明確な観測が可能になった。
• 達成された最大ポラリトン密度は約3.25 × 10¹¹ cm⁻²であり、測定されたポラリトン寿命は2 psであり、理論モデルと整合的であった。
• 本研究は、マイクロカビティポラリトンが、古典的挙動の制限を超えて、量子情報処理に適した強力で頑健な相互作用を示す量子粒子として機能可能であることを確認した。