[論文レビュー] Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters

Mi Lei, Rikuto Fukumori+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高協同性を示すナノフォトニクスキャビティ内に閉じ込められた強力駆動下の不均一な固体発光体アンサンブルを調査し、量子干渉によって生じる鋭い集団誘導透過（CIT）窓を実証した。CITにより、超放射および準放射といった非線形光応答が可能となり、遅延光、周波数基準、量子インターフェースへの応用が可能となる。

ABSTRACT

Quantum emitters coupled to optical resonators are quintessential systems for exploring fundamental phenomena in cavity quantum electrodynamics (cQED) and are commonly used in quantum devices acting as qubits, memories and transducers. Many previous experimental cQED studies have focused on regimes in which a small number of identical emitters interact with a weak external drive, such that the system can be described with simple, effective models. However, the dynamics of a disordered, many-body quantum system subject to a strong drive have not been fully explored, despite its importance and potential in quantum applications. Here we study how a large, inhomogeneously broadened ensemble of solid-state emitters coupled with high cooperativity to a nanophotonic resonator behaves under strong excitation. We discover a sharp, collectively induced transparency (CIT) in the cavity reflection spectrum, resulting from quantum interference and collective response induced by the interplay between driven inhomogeneous emitters and cavity photons. Furthermore, coherent excitation within the CIT window leads to highly nonlinear optical emission, spanning from fast superradiance to slow subradiance. These phenomena in the many-body cQED regime enable new mechanisms for achieving slow light and frequency referencing, pave a way towards solid-state superradiant lasers and inform the development of ensemble-based quantum interconnects.

研究の動機と目的

• 高協同性キャビティ内に強い駆動を受ける不均一な発光体アンサンブルの多体量子系のダイナミクスを調査すること。
• 弱駆動領域を超えた不規則で駆動されたアンサンブルにおいて、量子干渉と集団的応答がどのように出現するかを理解すること。
• 固体状態キャビティQED系において、集団誘導透過（CIT）や非線形放射といった新しい量子光学現象を実証すること。
• 集団的多体効果を活用して、遅延光、周波数基準、量子インターフェースへの応用を実現すること。

提案手法

• 高協同性を示すナノフォトニクスキャビティを用い、イットルイオンドーピングYb3+を含む酸土類元素イオン発光体アンサンブル（YSO中）と結合させた。
• 変動するパワーと周波数オフセットを持つパルスレーザーを用いてキャビティの反射スペクトルを測定し、集団的効果を観測した。
• マスター方程式を用いたシミュレーションにより、結合したおよび結合しないサブアンサンブルのダイナミクスをモデル化し、不均一系における非干渉的加算法の妥当性を検証した。
• キャビティの位相と反射スペクトルを測定し、CIT窓全域でπ位相シフトが観測されたことを確認した。これはFano型共鳴を示している。
• 横方向のポンプを用いて信号の透過制御を可能とする光学スイッチを設計し、CIT窓に基づく制御を実現した。
• Yb3+のA遷移とI遷移を比較し、協同性と位相崩壊がCITの深さと幅に与える影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高協同性キャビティ内に強い駆動を受ける不均一な発光体アンサンブルが、どのように集団的量子現象を示すのか？
• RQ2 キャビティ反射スペクトルに観測された鋭い集団誘導透過（CIT）窓の起源と性質は何か？
• RQ3 コherent励起下でCIT窓内に、超放射や準放射といった非線形光応答がどのように出現するのか？
• RQ4 CIT窓を用いて、高い消光比を達成する高速で完全に光で制御可能なスイッチを実現できるか？
• RQ5 A遷移とI遷移における協同性と位相崩壊の違いが、CIT特徴の幅と深さに与える影響は何か？

主な発見

• 量子干渉によって、不均一な線幅よりも狭い鋭い集団誘導透過（CIT）窓がキャビティ反射スペクトルに観測された。これは駆動された発光体とキャビティ光子の間で生じる。
• CIT窓の中心部において、強い駆動下でも発光体がコherent励起され、共鳴点で相対的π位相シフトが観測された。
• 非線形光放出が観測され、高速な超放射から長寿命の準放射状態まで広がっており、励起パワーが増加するに従い、集団状態の人口が超放射部分空間から準放射部分空間へ移行した。
• 高パワー（2 a.u.）では、系が完全に混合状態に近づき、準放射部分空間内の異なるデジェネラシーに起因して、ディッケ状態間の人口分布が不均一になった。
• I遷移ではA遷移よりも高い位相崩壊が見られたが、CITの幅はわずかに狭く、I遷移ではより高い有効協同性が示された。
• CIT窓の狭いスペクトル領域内で、サブミリ秒未満の応答時間で動作する完全に光で制御可能なスイッチを実証した。ポンプにより完全反射（DIR）と透過（CIT）の状態を切り替えられた。