[論文レビュー] Exploring six modes of an optical parametric oscillator

Luis F. Muñoz-Martínez, F. A. S. Barbosa+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、三重共振光パラメトリック発振器（OPO）によって生成された6つの光学サイドバンドモード（ポンプ、信号、イデント）の完全な量子状態再構成を提示する。線形化されたハミルトニアンモデルを用い、キャビティのダイナミクスとフォノン結合を含むことで、観測された量子相関が非線形過程そのものではなく、対称および反対称サイドバンド組み合わせ間のキャビティ起因の位相非対称性に起因することを示している。モデルは実験データから4%未満のずれを示し、連続変数系におけるヘキサパートライト（六粒子）もつれの詳細な6モード記述を検証した。

ABSTRACT

We measure the complete quantum state for six modes of the electromagnetic field produced by an optical parametric oscillator. The investigation involves the sideband of the intense pump, signal, and idler fields generated by stimulated parametric downconversion inside a triply resonant optical resonator. We develop a theoretical model to successfully interpret the experimental results. The model takes into account the coupling of the field modes to the phonon bath of the nonlinear crystal, clearly showing the roles of different physical effects in shaping the structure of the quantum correlations between the six optical modes.

研究の動機と目的

• 三重共振OPOによって生成される6つのサイドバンドモード（ポンプ、信号、イデント）の完全な量子状態記述を提供すること。
• 標準的な3モード像を越えて、6モード系における量子相関の物理的起源を特定すること。
• キャビティダイナミクス、非線形結合、フォノン相互作用を含む理論モデルを構築し、実験結果を説明すること。
• スペクトル行列の虚部—対称および反対称サイドバンド間の相関を担う項—が非線形過程ではなくキャビティ起因の位相進化に起因することを示すこと。

提案手法

• キャリア成分とサイドバンド成分に分離する線形化された場演算子を用いたサイドバンドハミルトニアンを定式化する。
• 周波数オフセット±Ωにおけるサイドバンド間の双線形相互作用ハミルトニアンを導出し、エネルギー保存則を保持する。
• 上側バンドと下側バンドの対称および反対称組み合わせに場演算子を変換し、解析を簡略化する。
• 入出力関係とビームスプリッタ変換を用いてキャビティの役割をモデル化し、位相進化効果を捉える。
• 非線形結晶へのフォノン結合を組み込み、熱的デチューニング効果を説明する。
• 測定された2次モーメントから量子状態を再構成するための共分散行列形式を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三重共振OPOによって生成される6つの光学サイドバンドモード（ポンプ、信号、イデント）の完全な量子状態は何か？
• RQ2 測定された量子ノイズスペクトルに、対称および反対称サイドバンド組み合わせ間のクロス相関が現れる理由は何か？
• RQ3 6モード系における量子相関構造を決定づける主な物理的メカニズムは何か—非線形相互作用かキャビティダイナミクスか？
• RQ4 フォノン結合は、異なるポンプ出力レベルにおける観測された量子相関にどのように影響を及ぼすか？
• RQ5 標準的な3モードモデルは、この系における完全なもつれ構造をどの程度正しく記述できないか？

主な発見

• モデルは標準量子限界から4%未満のずれで実験結果を再現したが、ポンプ振幅分散については9%のずれを示し、高い忠実度を確認した。
• 対称および反対称サイドバンドモード間の相関を担うスペクトル行列の虚部は、非線形過程ではなくキャビティ起因の位相非対称性に起因する。
• ヘキサパートライトもつれは、従来の3モード像では得られない完全な6モード記述によって明らかにされた。
• 上側バンドと下側バンド間の位相進化の非対称性が、対称および反対称組み合わせの間の結合を引き起こし、キャビティ帯域幅付近で最大値を示す。
• ポンプ出力を増加させることによる熱的効果が、小さなデチューニングを引き起こし、高ポンプレベルでの非ゼロクロス相関の出現を説明できる。
• モデルは半古典的から完全に量子的状態への遷移をうまく捉えており、広い範囲のポンプ出力でガウス状態記述の妥当性を検証した。