[論文レビュー] Observation of superradiant bursts in a cascaded quantum system

Christian Liedl, Felix Tebbenjohanns+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Strong Light-Matter Interactions参考文献 61被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ナノファイバー波ガイドにキラルに結合された約1000個のセシウム原子の段階的量子系において、光が一方向に放射される状態で、スーパーラディアンス・バースト放射が実験的に実証された。標準的なディッケ・スーパーラディアンスとは異なり、対称性が低下しているにもかかわらず、ピーク出力は原子数に対してディッケ則よりも速いスケーリングを示し、初期励起または真空揺らぎによって支配される明確なコherences領域を示す。モデルでは計算複雑性が線形にスケーリングし、実験データを定量的に一致させる。

ABSTRACT

Dicke superradiance describes the collective radiative decay of a fully inverted ensemble of two-level atoms. We experimentally investigate this effect for a chiral, i.e.,~direction-dependent light--matter coupling. Despite a fundamentally different interaction Hamiltonian which has a reduced symmetry compared to the standard Dicke case, we do observe a superradiant burst emission. The burst occurs above a threshold number of atoms, and its peak power scales faster with the number of atoms than in the case of free-space Dicke superradiance. We measure the first-order coherence of the burst emission and experimentally distinguish two regimes, one dominated by the coherence induced during the excitation process and the other governed by vacuum fluctuations. Our results shed light on the collective radiative dynamics of cascaded quantum many-body systems, i.e., a system in which each quantum emitter is only driven by light radiated by emitters that are further upstream in the cascade. Our findings may turn out useful for generating multi-photon Fock states as a resource for quantum technologies.

研究の動機と目的

• 標準的なディッケ・スーパーラディアンスの粒子交換対称性を破る一方向性の光物質結合を持つ段階的量子系におけるスーパーラディアンス・バーストダイナミクスを調査すること。
• 対称性が低下し、長距離にわたる波ガイドを介した相互作用を有する系においてもスーパーラディアンスが維持されるかを特定すること。
• バースト放射のコherences特性を測定し、初期励起によるコherencesと真空揺らぎによるコherencesを区別すること。
• 原子数に線形にスケーリングする計算効率の高いモデルを構築し、実験観測を正確に予測できるかを検証すること。

提案手法

• 短い共振的ナノファイバー誘導光パルスを用いて原子を位相的に反転させ、ナノファイバーの前方伝搬エバネッセントモードに結合する完全に反転したエンsemblesを形成する。
• 各原子が上流の原子から放射された光のみによって駆動される段階的量子系としてモデル化し、鎖に沿って反復的にダイナミクスを解く。
• 混合コヒーレント状態近似を用いて各原子への入力場をモデル化し、上流原子からのコヒーレント成分と真空揺らぎからの非コヒーレント成分を別々に扱う。
• コヒーレント入力の位相について積分することで出力パワーを計算し、原子数に線形にスケーリングする計算複雑性とバーストダイナミクスの正確な予測を実現する。
• 原子位置の熱揺らぎは、切断されたガウス分布による結合定数の平均化によって扱い、2つの自由パラメータをデータにフィットさせる。
• モデルと実験の定量的一致は、段階的系記述の妥当性を確認し、より複雑な多体手法に代わる線形複雑性アプローチの正当性を裏付ける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 粒子交換対称性が欠如するキラルで一方向性の結合を持つ段階的量子系において、スーパーラディアンス・バースト放射が生じるか？
• RQ2 自由空間におけるディッケ・スーパーラディアンスと比較して、段階的系におけるバーストのピーク出力は原子数に対してどのようにスケーリングするか？
• RQ3 バースト放射のコherencesは、初期励起のコherencesか、真空揺らぎか、特に原子が完全に反転した状態近くで何によって決定されるか？
• RQ4 原子数に線形にスケーリングする計算効率の高いモデルが、このような系の集団的放射ダイナミクスを正確に記述できるか？
• RQ5 バースト発生直後における場のコherencesから、スーパーラディアンス・バーストが主に1つの時間的モードに放射されていると示唆されるか？

主な発見

• キラルで一方向性の結合を持つ約1000個のセシウム原子の段階的系において、実験的にスーパーラディアンス・バースト放射が観測され、対称性が低下してもスーパーラディアンスが維持されることを確認した。
• バーストのピーク出力は、標準的なディッケ・スーパーラディアンスと比較して、原子数に伴いより速いスケーリングを示し、段階的幾何学における集団的放射の増幅を示している。
• 中程度の励起パルス面積では、バースト放射が励起レーザーとコherently保たれ、励起過程中にコherencesがインプリントされていることを示している。
• 原子エンsemblesが完全に反転した状態に位相的に準備された場合、バーストは励起レーザーとコherencesを失い、真空揺らぎが放射を駆動し、位相が定義されない場を生成することが示された。
• バースト開始時における場のコherencesが、後続の時間における場と一致しており、放射が1つの時間的モードに集中していることを示しており、量子状態生成において重要な特徴である。
• 混合コヒーレント状態入力と逐次的原子ごとの伝搬に基づく線形スケーリングモデルは、2つの自由パラメータのみで、すべての実験的データと定量的に一致し、段階的系記述の妥当性を検証した。