[論文レビュー] Nonlinear optics using intense optical coherent state superpositions

Theocharis Lamprou, Javier Rivera-Dean+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2023

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、平均光子数が約10²に達するインフラレッド領域における強力なフェムト秒光Schödingerの猫状態の生成を示した。非線形光学の応用が可能となる。高調波生成（HHG）後の強い赤外レーザーの量子状態を条件づけることで、著者らは巨視的重ね合わせ状態を生成し、二次高調波生成（SHG）を誘発した。干渉的自己相関測定に量子干渉の痕跡が現れることで、状態の非古典的性質が裏付けられた。

ABSTRACT

Superpositions of coherent light states, are vital for quantum technologies. However, restrictions in existing state preparation and characterization schemes, in combination with decoherence effects, prevent their intensity enhancement and implementation in nonlinear optics. Here, by developing a decoherence--free approach, we generate intense femtosecond--duration infrared coherent state superpositions (CSS) with a mean photon number orders of magnitude higher than the existing CSS sources. We utilize them in nonlinear optics to drive the second harmonic generation process in an optical crystal. We experimentally and theoretically show that the non--classical nature of the intense infrared CSS is imprinted in the second-order autocorrelation traces. Additionally, theoretical analysis shows that the quantum features of the infrared CSS are also present in the generated second harmonic. The findings introduce the optical CSS into the realm of nonlinear quantum optics, opening up new paths in quantum information science and quantum light engineering by creating non-classical light states in various spectral regions via non-linear up-conversion processes.

研究の動機と目的

• 既存の光の「猫状態」生成源における光子数が少ないという制限を克服し、非線形光学への応用を可能とすること。
• 非線形プロセスを駆動できる高平均光子数を有する高強度の巨視的重ね合わせ状態を生成すること。
• 光の「猫状態」における量子干渉が、二次高調波生成および干渉的自己相関測定によってプローブ可能であることを示すこと。
• 2-AC測定におけるビートパターンを用いて、古典的混合状態と区別することで、生成された状態の非古典的性質を検証すること。

提案手法

• 強力なフェムト秒インフラレッドレーザーパルス（1パルスあたり約10¹¹光子）を用いて、強力なコherent状態を生成する。
• 高調波生成（HHG）媒体中の原子との非線形相互作用後のレーザー場に対して、量子状態工学的手法を適用する。
• HHGプロセスによりコherent状態に振幅シフトδαが生じ、|CAT>± = N±(|α> ± |-α>)の形の重ね合わせ状態が生成され、|α| ~ 10·¹¹となる。
• 生成された「猫状態」を用いて非線形結晶で二次高調波生成（SHG）を駆動し、赤外光子をブルー周波数に変換する。
• 干渉的2次自己相関（2-AC）測定により量子干渉を検出する。信号はS₊₉(τ) = η∫ dt ⌈I²(t,τ)⌉として記述される。
• 古典的混合状態モデルを対照実験として用い、2-AC測定におけるビートパターンが古典的統計ではなく、量子干渉に起因することを確認する。

Figure 1: Scheme for utilizing intense optical “cat” states in nonlinear optics. $\ket{\alpha_{L}(t)}$ is the IR coherent state of a $\approx 25$ fs linearly polarized laser pulse of frequency $\omega$ . HHG is the region where the Argon atoms interact with the pulse and the high harmonics are gener

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形プロセスを駆動できるだけの平均光子数を有する光の「猫状態」を実験的に実現可能か？
• RQ2 巨視的重ね合わせ状態におけるコherent状態の量子干渉が、二次高調波生成のような非線形光学応答に現れるか？
• RQ3 干渉的自己相関測定は、非古典的「猫状態」と古典的コherent状態の混合状態を区別できるか？
• RQ4 量子状態条件づけが、強力なレーザー光から高強度非古典的光状態を生成する上で果たす役割は何か？

主な発見

• 著者らは、平均光子数が約10²に達するインフラレッド領域の強力な光の「猫状態」を成功裏に生成し、現在のソースを著しく上回った。
• 「猫状態」を入力源として用いたことで、二次高調波生成が観測され、状態が非線形プロセスを駆動するのに十分な強度を有していることが確認された。
• 重ね合わせ状態に含まれる2つのコherent状態間の量子干渉が、2次干渉的自己相関（2-AC）測定に明確なビートパターンとして現れた。
• 古典的混合状態モデルでは2-AC測定におけるビート特徴が観測されず、これが量子コherenveに起因することを裏付け、状態の非古典的性質を確認した。
• 測定された信号S₊₉(τ)は⌈I²⌉ ≈ ⌈n²⌉ + ⌈n⌉と比例し、⌈n⌉ ~ 10²となることが確認され、高強度領域での妥当性が裏付けられた。
• 本結果により、光の「猫状態」が非線形量子光学のリソースとして利用可能になったことが示され、量子情報科学分野に新たな道を開いた。

Figure 2: Calculated 2nd order autocorrelation traces of intense optical “cat” states. (a) 2nd order interferometric autocorrelation (2-AC) trace calculated when the QS is switched off. This corresponds to a conventional 2-AC trace of a coherent light pulse. (b), (c) 2-AC traces calculated when the