[論文レビュー] Optical Analogue of the Dynamical Casimir Effect in a Dispersion-Oscillating Fibre

Stefano Vezzoli, Arnaud Mussot+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2018

Quantum Electrodynamics and Casimir Effect参考文献 28被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、分散振動光子結晶ファイバにおけるダイナミカルCasimir効果の光学的類比を示し、Kerr非線性による真空起源の光子対を示し、非古典的相関を確認する。

ABSTRACT

The dynamical Casimir effect is the generation of pairs of real particles or photons from the vacuum as a result of a non-adiabatic change of a system parameter or boundary condition. As opposed to standard parametric amplification where the modulation occurs both in space and in time, this fundamental process requires a pure modulation in time, which makes its detection particularly challenging at optical frequencies. In this paper we experimentally demonstrate a realisation of the optical analogue of the mechanical dynamical Casimir effect in the near-infrared optical regime in a dispersion-oscillating photonic crystal fibre. The experiments are based on the equivalence of the spatial modulation of the fibre core diameter to a pure temporal modulation when this is considered in the co-moving frame of the travelling pump pulse. We provide evidence of optical dynamical Casimir effect by measuring quantum correlations between the spectrally resolved photon pairs. The non-classical nature of the measured light is supported by evidence of anti-bunching photon statistics.

研究の動機と目的

• 分散振動ファイバー（DOF）を用いてダイナミカルCasimir効果（DCE）の光学的類似を動機づけ、実現する。
• コモーヴィングフレーム内のポンプパルスの時間変調と空間芯径変調の対応を説明する。
• スペクトル分解された光子対間の量子相関を測定してDCEの証拠を提供する。
• 反びつき統計とヘラルド済みg(2)(0)測定を通じて非古典的光を示す。

提案手法

• 共動フレーム内でχ(3)|E|^2に比例する屈折率の時間変調を用いて分散媒質におけるDCE条件をモデル化する。
• ラボフレームでのDCE周波数条件を|Δω−v_g k| = mK/2 + v_g k_0として導出し、エネルギー保存により対称な±Δωを含むβ2Δω^2 + (1/12)β4Δω^4 = mKへ簡略化する。
• エネルギー保存の下で±Δωが対称になることを意味する。
• 周期的GVD変調を有する分散振動ファイバーと短いポンプパルス（600 ps）を用いて効果を誘発する。
• 予測される波長（例：954 nmおよび1173 nm）周辺で信号・伴波光子をフィルタリング・スペクトル分解し、SPADで同時検出を測定する。
• CAR（coincidence-to-accidental ratio）とヘラルド済みg(2)(0)測定で非古典性を定量化し、ラマン背景を制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短いポンプパルスのコモーヴィングフレームによって実現される時間変調を介して、光学媒質でDCE様の光子対生成を実現できるか？
• RQ2 スペクトル分解された信号-伴対光子は、真空に起源するDCEに一致する非古典的相関を示すか？
• RQ3 分散特性（β2、β4）とファイバーの変調は、DCEの放出周波数をどのように決定するか？
• RQ4 観測された光は反びつきかつCAR>1でg(2)(0)が1未満となり、非古典的発光を示すか？

主な発見

• 光子対はDCE条件で予測された波長で放出され、零遅延時の大きなN_s,i(0)ピークによって明確な量子相関が示される。
• CARはDCE由来の条件を満たす波長対で有意であり、そうでない場合には低下する。
• 最適CARは約5で、λ_s=954 nm、λ_i=1173 nmで、選択したポンプパラメータ下で最も多くのカウントが得られる。
• g(2)(0)はCAR>1で1未満となり、ヘラルドされた発光が非古典的であることを示す。
• 有限のラマン背景を考慮しており、P_p=0.03 WでDCE光子対は約2×10^-3/pulse（ラマン光子は約0.18と比べて）と推定される。
• 結果はDCE由来のスペクトル予測とパラメトリック増幅の準位相整合的直感と整合している。