[論文レビュー] Multimode amplitude squeezing through cascaded nonlinear optical processes

Sahil Pontula, Yannick Salamin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2024

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Qファクターを設計した級列非線形光学キャビティを提案し、離散周波数モードにおいてショットノイズ限界より10 dB以上下回るマルチモード振幅スケーリングを達成する。共通のイデール浴モードを活用し、ブロッホ振動を支持する合成周波数キャビティを構築することで、散逸に対する非線形結合の強化により、複数モードにわたる調整可能で明るいスケーリングを実現する。

ABSTRACT

Multimode squeezed light is enticing for several applications, from squeezed frequency combs for spectroscopy to signal multiplexing in optical computing. To generate squeezing in multiple frequency modes, optical parametric oscillators have been vital in realizing multimode squeezed vacuum states through second-order nonlinear processes. However, most work has focused on generating multimode squeezed vacua and squeezing in mode superpositions (supermodes). Bright squeezing in multiple discrete frequency modes, if realized, could unlock novel applications in quantum-enhanced spectroscopy and optical quantum computing. Here, we show how $Q$ factor engineering of a multimode nonlinear cavity with cascaded three wave mixing processes creates strong, spectrally tunable single mode output amplitude noise squeezing over 10 dB below the shot noise limit. In addition, we demonstrate squeezing for multiple discrete frequency modes above threshold. This bright squeezing arises from enhancement of the (noiseless) nonlinear rate relative to decay rates in the system due to the cascaded generation of photons in a single idler "bath" mode. A natural consequence of the strong nonlinear coupling in our system is the creation of an effective cavity in the synthetic frequency dimension that sustains Bloch oscillations in the modal energy distribution. Bloch mode engineering could provide an opportunity to better control nonlinear energy flow in the synthetic frequency dimension, with exciting applications in quantum random walks and topological photonics. Lastly, we show evidence of long-range correlations in amplitude noise between discrete frequency modes, pointing towards the potential of long-range entanglement in a synthetic frequency dimension.

研究の動機と目的

• 級列パラメトリックプロセスを用いて、複数の離散周波数モードで明るい振幅スケーリングを実証すること。
• 非線形結合と散逸の設計により、単一プロセスの3 dB理論限界を超えること。
• 合成周波数次元が非線形エネルギーの流れと量子ノイズを制御する役割を果たすかを調査すること。
• 周波数空間における長距離振幅ノイズ相関が、合成次元における長距離もつれの兆候であるかを検討すること。
• 量子応用を想定した、調整可能で広帯域かつスペクトル選択的なスケーリングを実現すること。

提案手法

• 複数の信号モードを共通のイデール「バスタ」モードを介して結合する、級列三波混合プロセスを有するマルチモード非線形キャビティを用いる。
• 周波数ドメインにおけるQファクターの設計により、減衰率に対する非線形結合の強化を実現し、合成周波数キャビティを構築する。
• 合成周波数次元における逆向きのブロッホモードを活用し、モードエネルギー分布に定常波パターンを生成する。
• フォトニクスクリスタルベースの周波数可変フィルタを用い、個々の周波数モードの出 coupling（Qファクター）を選択的に制御する。
• 強いマルチモード結合に起因する緩和振動を含む、結合非線形微分方程式を用いて平均場ダイナミクスと量子ノイズをモデル化する。
• 線形化領域における完全な量子ランジュバンおよびハイゼンベルグ・ランジュバン形式を用いて、ノイズ相関とスケーリングスペクトルを分析する。

Figure 1: Squeezing in a multimode cavity with THz-mediated cascaded three wave mixing. (a) Cascading infrared (IR) orders are resonant in a multimode cavity and undergo three wave mixing (TWM) mediated by a terahertz (THz) mode, creating a frequency comb (red) with modes separated by the THz freque

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マルチモードキャビティにおける級列非線形プロセスは、複数の離散周波数モードで3 dBの限界を超える振幅スケーリングを生成できるか？
• RQ2 合成周波数次元におけるQファクター設計は、振幅スケーリングの強度とスペクトル分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ブロッホ振動および逆向きモード間の干渉は、定常状態におけるエネルギー分布とノイズ特性をどのように形作るか？
• RQ4 周波数空間における長距離振幅ノイズ相関は、合成次元における長距離もつれの存在を示唆するか？
• RQ5 このプラットフォームは、量子応用を想定した、調整可能で明るいスケーリング周波数コンブを生成するためにどの程度利用可能か？

主な発見

• Qファクターの設計と級列非線形結合により、単一モードの振幅スケーリングがショットノイズ限界より10 dB以上下回る。
• 閾値を超えて、複数の離散周波数モードで同時にマルチモード振幅スケーリングが実証され、帯域幅が100 MHzを超える。
• 合成周波数キャビティはブロッホ振動と逆向きモードを支持し、モードエネルギー分布に定常波パターンを生じる。
• 離散周波数モード間で強い長距離振幅ノイズ相関が観測され、合成周波数次元における長距離もつれの可能性を示唆する。
• 個々のモードの出coupling Qファクターを調整することで、どのモードがスケーリングされるかを調整可能に制御できる。
• 理論的解析により、散逸に対する非線形結合の強化が強力なスケーリングを可能にする主要メカニズムであることが確認され、ノイズレスレート増幅と整合的である。

Figure 2: Intracavity dynamics and noise due to strong cascaded nonlinear interactions. (a) $Q$ factor shaping (through the use of frequency-dependent couplers) permits the creation of frequency combs containing only redshifted modes relative to the pump mode $a_{0}$ . The temporal dynamics feature