[論文レビュー] Nonlinear generation of quantum-entangled photons from high-Q states in dielectric nanoparticles

Alexander N. Poddubny, Daria A. Smirnova|arXiv (Cornell University)|Aug 14, 2018

Plasmonic and Surface Plasmon Research参考文献 19被引用数 17

ひとこと要約

本稿では、AlGaAsナノディスクにおける自己誘導パラメトリック下変換（SPDC）を介して、高品質（high-Q）準束縁状態（BIC）を励起することにより、量子もつれ光子対の生成を共鳴的に増幅する手法を提案する。このメカニズムは、磁気双極モードと磁気八極モードの多重極混合に依存し、ポンプ周波数と共鳴する高Q状態を形成することで、信号光とイジール光周波数の和が高Qモード周波数と一致する際にもつれ光子放出が急激に増加する。増幅効果はフルウェーブシミュレーションおよび3準位の解析的モデルにより確認された。

ABSTRACT

We develop multipolar theory of nonlinear generation of entangled photons from subwavelength dielectric particles due to the spontaneous parametric downconversion. We demonstrate that optical excitation in resonance with the high-quality supercavity mode of the aluminum gallium arsenide (AlGaAs) nanodisk leads to a strong enhancement of generation of entangled photon pairs associated with electric and magnetic dipole modes. Our rigorous numerical results are corroborated by an analytical model, universally describing formation of high-$Q$ resonant states and dark states due to the interference and interplay of the parent multipoles, namely, magnetic dipoles and magnetic octupole. Our findings and description can be instructive for quantum and nonlinear nanophotonics applications.

研究の動機と目的

• 誘電ナノ粒子におけるもつれ光子の非線形生成のための多重極理論の構築。
• AlGaAsナノディスクにおける高Q状態を介したSPDCの共鳴的増幅の実証。
• 電気および磁気多重極の干渉によって生じる高Q状態およびダーク状態の多重極的起源の解明。
• 誘電ナノ粒子における高Q状態およびダーク状態を普遍的に記述する解析的モデルの提供。
• ナノスケールで効率的かつコンパクトで統合可能な量子光源の実現。

提案手法

• 任意の非線形ナノ構造における二光子生成を記述する、厳密なグリーン関数に基づく量子光学理論の適用。
• 散乱および電場分布のモデル化に、t行列または拡張境界条件法の使用。
• 磁気双極モードと磁気八極モードのハイブリダイゼーションを記述するための3準位解析的モデルの適用。
• ベクトル球面調和関数展開を用いて、電磁場を多重極成分（JおよびH関数）に分解。
• ナノディスク体積内のχ(2)感受率を統合して、非線形結合行列要素の計算。
• さまざまなアスペクト比（r/h）を持つAlGaAsナノディスクにおけるフルウェーブ数値シミュレーションを実施し、M=0およびM=1モードに注目。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘電ナノ粒子における高Q共鳴状態は、どのようにSPDCを介したもつれ光子生成を増幅するか？
• RQ2 サブ波長スケールの誘電ナノディスクにおける高Q状態およびダーク状態の多重極的起源は何か？
• RQ3 磁気双極モードと磁気八極モードのハイブリダイゼーションは、どのようにSPDC効率を向上させるか？
• RQ4 普遍的な解析的モデルは、誘電ナノ粒子における高Q状態およびダーク状態を両方記述できるか？
• RQ5 角運動量射影（M）は、もつれ光子放出の選択則にどのように寄与するか？

主な発見

• 信号光とイジール光周波数の和が高Qモード周波数と一致する際、もつれ光子対生成に急激な増幅が観測され、最大値は r/λi + r/λs = 0.2875 で達成される。
• SPDCスペクトルは、アスペクト比 r/h = 0.71 で顕著なピークを示し、線形散乱スペクトルにおける高Q状態の形成と一致する。
• 図6のインセットに示すように、スペクトル的に統合されたデゲネレートSPDC効率は、r/h = 0.71 の周辺で顕著に増加する。
• 高Q状態は、磁気双極モードと磁気八極モードのハイブリダイゼーションに起因する放射チャネル間の破壊的干渉に起因する。
• 解析的3準位モデルは、高Q状態およびダーク状態の両方を成功裏に記述でき、従来の2準位モデルを一般化する。
• 二光子波動関数は、ポンプが高Qモードを励起する際に明確な最大値を示し、もつれ光子放出の共鳴的増幅を確認する。