[論文レビュー] Fundamental Limits to Coherent Scattering and Photon Coalescence from Solid-State Quantum Emitters

Jake Iles-Smith, Dara P. S. McCutcheon+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 20, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、弱い励起下でも非マークフィアン型フォノン相互作用による固体量子発光体におけるコherent散乱および二光子凝集の内在的限界を特定している。フォノン誘発サイドバンドは励起強度に依存せず残存し、光子の不変性およびコherenceを根本的に制限する。これは原子系やマークフィアン型モデルには見られない制限である。

ABSTRACT

The desire to produce high-quality single photons for applications in quantum information science has lead to renewed interest in exploring solid-state emitters in the weak excitation regime. Under these conditions it is expected that photons are coherently scattered, and so benefit from a substantial suppression of detrimental interactions between the source and its surrounding environment. Nevertheless, we demonstrate here that this reasoning is incomplete, as phonon interactions continue to play a crucial role in determining solid-state emission characteristics even for very weak excitation. We find that the sideband resulting from non-Markovian relaxation of the phonon environment is excitation strength independent. It thus leads to an intrinsic limit to the fraction of coherently scattered light and to the visibility of two-photon coalescence at weak driving, both of which are absent for atomic systems or within simpler Markovian treatments.

研究の動機と目的

• 固体量子発光体におけるフォノン相互作用がコherent散乱および光子不変性を制限する役割を調査すること。
• 弱い励起下で非マークフィアン型フォノンダイナミクスが二光子凝集に根本的制限を及えるかどうかを特定すること。
• 弱い励起下でも固体発光体が原子系と同様の高さのcoherenceを達成できない理由を明確にすること。
• フォノン誘発サイドバンドが励起強度に依存しないことから、coherenceの内在的限界を確立すること。

提案手法

• 弱い励起下での固体量子発光体の放射スペクトルを分析し、フォノン誘発サイドバンドを分離する。
• フォノンバスタームの緩和ダイナミクスを非マークフィアン型密度行列方程式を用いてモデル化する。
• 得られた放射特性をマークフィアン型処理および原子系と比較し、相違点を明確にする。
• 励起強度に依存しないフォノンサイドバンドが非マークフィアン性の主要な兆候であると特定する。
• フォノン結合が存在する中での、coherently散乱光の割合および二光子凝集可視度を定量する。
• 放射スペクトルに持続するサイドバンド構造から、coherenceの内在的限界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 弱い励起下における固体量子発光体のcoherent散乱度は、何によって制限されるか？
• RQ2 非マークフィアン型フォノンダイナミクスは、固体系における二光子凝集可視度にどのように影響するか？
• RQ3 弱い励起下でも、なぜ固体発光体は原子系ほど高い光子不変性を達成できないのか？
• RQ4 弱駆動領域において、フォノン誘発サイドバンドは励起強度に依存するか？
• RQ5 固体発光体におけるフォノン相互作用が光子coherenceに及える根本的限界は何か？

主な発見

• 固体発光体におけるフォノン誘発サイドバンドは、励起強度にかかわらず一定であり、非マークフィアン型緩和プロセスを示している。
• このサイドバンドは、coherently散乱光の割合に内在的限界をもたらし、励起出力を低下させても除去できない。
• 二光子凝集可視度も、弱い励起領域においても同様のフォノンサイドバンドによって根本的に制限されている。
• coherenceの限界は、非マークフィアン型フォノンダイナミクスに起因しており、単純なマークフィアン型モデルには存在しない。
• 固体発光体は、フォノンへの強い非マークフィアン型結合のため、原子系にはない根本的なcoherence障壁に直面している。
• 本研究の結果は、固体発光体からの高精度量子光源設計において、これまで無視されてきた制約を明らかにした。