[論文レビュー] Nonclassicality in non-degenerate hyper-Raman processes

Kishore Thapliyal, Anirban Pathak+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、多光子ポンプ非縮退ハイパー・ラーマン過程を記述する完全な量子力学的ハミルトニアンに対する摂動的解析解を提示し、ポンプ、ストークス、アンチストークス、振動モード間の相互作用において、相互モードの圧縮、反バンドリング、もつれといった豊かな非古典的現象を明らかにした。主な貢献は、非古典的性質—特に相互モード相関および高次効果—が信号モードに限らず、複数の非縮退ポンプモードの自己相互作用によっても生じることを示したことである。

ABSTRACT

A perturbative analytic operator solution of a completely quantum mechanical Hamiltonian of multi-photon pump non-degenerate hyper-Raman process is obtained. It is shown that the obtained solution is general in nature as the solutions of non-degenerate hyper-Raman and stimulated Raman processes can be obtained as special cases of the present solution. The analytic solutions obtained here are used to investigate the nonclassical properties of the different modes in the stimulated, spontaneous and partially spontaneous multi-photon pump non-degenerate hyper-Raman processes. The nonclassical nature of these processes is witnessed by means of single mode and intermodal quadrature squeezing, intermodal entanglement of different orders, lower order and higher order photon antibunching. Interestingly, manifesting the multiphoton nature of the pump modes, a bunch of nonclassicality involving them are observed due to self-interaction of various pump modes.

研究の動機と目的

• 多光子ポンプ非縮退ハイパー・ラーマン過程の完全な量子力学的ハミルトニアンに対する一般的で摂動的な解析解を構築すること。
• 励起の強度に応じた完全な励起、完全な自然放出、および部分的自然放出の3つの状態において、ポンプ、ストークス、アンチストークス、振動モードの全モードで観察される非古典的性質（圧縮、反バンドリング、もつれ）を調査すること。
• 複数の非縮退ポンプモードの自己相互作用が、標準的なラーマン過程を超えて非古典的効果を生成する役割を調査すること。
• 非古典的特徴が縮退および標準的なラーマン過程で観測される場合、本解の極限状態として回復可能であることを確立すること。
• 非古典的性質、特にポンプモードを含む相互モード相関における位相依存性および周波数依存性の制御を特定すること。

提案手法

• 時間順序化された演算子展開法を用いて、$ k $ 個の非縮退ポンプモードを含む多モード非縮退ハイパー・ラーマンハミルトニアンに対する摂動的解析解を導出する。
• 解を用いて、完全に励起された状態、完全に自然放出された状態、および部分的自然放出状態の3つのレジームにおける非古典的性質を分析する。
• 単一モードおよび相互モードの位相空間圧縮、低次および高次フォトン反バンドリング、さまざまな次数の相互モードもつれを用いた複数の基準により非古典的性質を評価する。
• 適切な極限において、解が励起および自然放出ラーマン過程、および縮退ハイパー・ラーマン過程の既知の結果に還元されることを示した。
• 非古典的性質がポンプ周波数、光子数、およびポンプモード間の相対位相にどのように依存するかを分析した。
• 今後の作業で準分布関数を用いて非古典的挙動をさらに特徴づけるが、本稿では計算を行っていない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数の非縮退ポンプモードを有する非縮退ハイパー・ラーマン過程に対して、一般の量子力学的解を導出可能か？
• RQ2 異なる励起レジーム下で、ポンプ、ストークス、アンチストークス、振動モードにおいて、圧縮、反バンドリング、もつれといった非古典的性質がどのように現れるか？
• RQ3 複数の非縮退ポンプモードの自己相互作用が、単一ポンプまたは縮退系では観測されない非古典的性質をどのように生成するか？
• RQ4 非古典的特徴としての相互モード圧縮やもつれは、自然放出状態でもどの程度維持されるか？
• RQ5 ポンプモードの位相と周波数は、観測される非古典的性質の度合いと種類にどのように影響するか？

主な発見

• 解析解は一般性を持ち、励起および自然放出ラーマン過程、および縮退ハイパー・ラーマン過程の既知の結果を極限状態として回復する。
• 自然放出状態においてもポンプモード間で相互モード圧縮、反バンドリング、もつれが観測され、ポンプの自己相互作用に起因する本質的非古典的性質を示している。
• 複合ポンプ-ポンプモードは、すべての研究された非古典的性質—相互モード圧縮、反バンドリング、および低次および高次もつれ—を示す。
• ポンプ-ストークス、ポンプ-振動、ポンプ-アンチストークスの複合モードは、相互モード圧縮と反バンドリングを示し、ポンプ-アンチストークスモードは高次もつれも示す。
• ポンプモードにおける非古典的性質は、ポンプ周波数、光子数、非縮退ポンプモードの数に依存し、相互モード反バンドリングおよびもつれは位相依存性を示す。
• 本系はマルチモード非古典的性質を示し、自己相互作用によりすべてのポンプモードが $ k $ 部門もつれ状態を形成すると予想される。これは、任意のポンプペア間のもつれ観測結果と整合的である。