[論文レビュー] Multimode quantum properties of a self-imaging OPO: squeezed vacuum and EPR beams generation

Luis A. Razo-López, Bénoît Chalopin+4 more|ArXiv.org|Dec 27, 2008

Quantum optics and atomic interactions被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、自己像像光学パラメトリックオシレータ（OPO）が、横空間モードにわたって局所的スリーピングとアインシュタイン・ポドルスキー・ローゼン（EPR）ビームを生成する高多重モード非古典的光を発生させることを示している。キャビティの自己像像性質を活用し、エルミート・ガウス分解を用いて固有モードを解き、最大50の有効量子モードを測定可能にし、量子イメージングや多重モード量子通信への応用を可能にする。

ABSTRACT

We investigate the spatial quantum properties of the light emitted by a perfectly spatially degenerate optical parametric oscillator (self-imaging OPO). We show that this device produces local squeezing for areas bigger than a coherence are that depends on the crystal length and pump width. Furthermore, it generates local EPR beams in the far field. We show, calculating the eigenmodes of the system, that it is highly multimode for realistic experimental parameters.

研究の動機と目的

• 量子情報およびイメージングに適した、調整可能な横断的形状を持つ高多重モード非古典的光のソースを開発すること。
• 従来のOPOが横モードをフィルタリングするという制限を克服するため、すべての横モードを支持する自己像像キャビティを用いること。
• 自己像像OPOが発生させる光の空間的量子特性、特に局所的スリーピングとEPRビーム生成を調査すること。
• 現実的な実験条件下での有効量子モード数とその空間的構造を特定すること。
• ポンプ出力、キャビティパラメータ、および測定可能なスリーピングの間の理論的枠組みを確立すること。

提案手法

• 全横モードデゲネラシーを達成するため、Round-trip行列が恒等行列に等しくなるように、ABCD行列形式を用いて自己像像OPOキャビティをモデル化する。
• 固有モード解析のための基底としてエルミート・ガウス関数を用い、横モードに関する場の演算子分解を導出する。
• 増幅、損失、および結合ミラー透過率による入力ノイズを組み込んだ、キャビティ内場の量子ランジュバン方程式を定式化する。
• 入出力関係および四分位演算子を用いてスリーピングスペクトルを解き、相互作用行列 $K_{int}$ の固有値に基づいた分散表現を導出する。
• $K_{int}$ の対角化によりシステムの固有モードを計算し、それらがポンプ幅に起因するウェストを持つエルミート・ガウスモードに非常に近いことを示す。
• 固有モード分解を用いて、行列の逆行列およびノイズ伝搬を介して任意の検出器ピクセルにおける測定可能スリーピングを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自己像像OPOは、コherenve領域よりも大きな空間的拡張領域で局所的スリーピングを生成できるか？
• RQ2 自己像像OPOは遠方場でもエンタングルドEPRビームを生成するのか？また、これはポンプ出力およびキャビティパラメータにどのように依存するか？
• RQ3 このシステムにおける有効量子モード数は何か？また、結晶長およびポンプビーム幅にどのように依存するか？
• RQ4 システムの固有モードはエルミート・ガウスモードとどのように関係するか？その空間的構造およびスリーピングプロファイルは何か？
• RQ5 このシステムは、量子イメージングおよび連続変数量子通信に適した多重モード量子状態をサポートできるか？

主な発見

• 自己像像OPOは、コherenve領域よりも大きな領域で局所的スリーピングを生成し、そのスケールは結晶長およびポンプビーム幅に反比例する。
• システムは遠方場で局所的EPRビームを生成し、量子イメージングおよびスーパーレゾリューション技術への応用可能性を裏付けている。
• システムの固有モードは、エルミート・ガウス関数により良好に近似可能であり、基本モードは最大の増幅と最大のスリーピングを示す。
• 1 cmの結晶および1064 nmの300 µmポンプウェストの場合、協調性 $\kappa = 6.8$ により約50の有効量子モードがサポートされる。
• 個々の固有モードにおけるスリーピングはモード番号が増加するにつれて減少し、最大固有値の約10％を超える固有値を持つモードのみが顕著な非古典的性質を示す。
• 任意形状の検出器における測定スリーピングは、固有モード分解を用いた解析的モデルおよび数値シミュレーションの両方で正確に予測可能である。