[論文レビュー] Optical Tachyons in Parametric Amplifiers: How Fast Can Quantum Information Travel?

Gershon Kurizki, A. Kozhekin+2 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 1998

Quantum optics and atomic interactions参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、パラメトリック増幅器が、光の超光速的波パッケージを生成できることを示しており、特定の状態では量子情報が光よりも速く伝わるかのように見える。この明らかな超光速性にもかかわらず、情報伝達は因果的であり、先行するパルスピークに対応する時間に限定されている。これは、四波混合、ラマン散乱、およびパラメトリックダウンコンersion系で示されている。

ABSTRACT

We show that optical tachyonic dispersion corresponding to superluminal (faster than-light) group velocities characterizes parametrically amplifying media. The turn-on of parametric amplification in finite media, followed by illumination by spectrally narrow probe wavepackets, can give rise to transient tachyonic wavepackets. In the stable (sub-threshold) operating regime of an optical phase conjugator it is possible to transmit probe pulses with a superluminally advanced peak, whereas conjugate reflection is always subluminal. In the unstable (above-threshold) regime, superluminal response occurs both in reflection and in transmission, at times preceding the onset of exponential growth due to the instability. Remarkably, the quantum information transmitted by probe or conjugate pulses, albeit causal, is confined to times corresponding to superluminal velocities. These phenomena are explicitly analyzed for four-wave mixing, stimulated Raman scattering and parametric downconversion.

研究の動機と目的

• パラメトリック増幅器を用いた一時的tachyonic分散を用いて、光よりも速く量子情報が伝送可能かどうかを調査すること。
• パラメトリック増幅媒質における超光速位相速度が生じる条件を分析すること。
• このような超光速伝播が、量子情報伝送において因果律を破るかどうかを特定すること。
• 光学位相共役器の安定（臨界値未満）と不安定（臨界値超過）の動作領域におけるプローブパルスと共役パルスの挙動を比較すること。
• 四波混合、強誘導ラマン散乱、およびパラメトリックダウンコンersionがtachyonic波パッケージ形成に果たす役割を検討すること。

提案手法

• 非線形光学応答理論を用いて有限媒体におけるパラメトリック増幅をモデル化し、位相速度の式を導出すること。
• 増幅の起動段階における一時的波パッケージダイナミクスを分析し、プローブパルスのスペクトル収縮に注目すること。
• 光学位相共役の枠組みを用いて、安定（臨界値未満）と不安定（臨界値超過）の領域を区別すること。
• 時間領域解析を用いて、プローブパルスおよび共役パルスのピーク到着時刻をポンプの開始時刻に対して追跡すること。
• 真空中の光速（c）を超える位相速度が生じる条件を導出し、因果律を保持すること。
• 四波混合、ラマン散乱、およびパラメトリックダウンコンersionにおける非線形結合の正確な解を用いて、tachyonic挙動の妥当性を検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パラメトリック増幅器は、因果律を破ることなく、超光速位相速度を持つ光の波パッケージを生成できるか？
• RQ2 動作領域（安定 vs. 不安定）が、プローブパルスと共役パルスの超光速挙動にどのように影響を与えるか？
• RQ3 これらの系において、量子情報が超光速で伝送可能な時間窓はいつか？
• RQ4 四波混合、ラマン散乱、またはパラメトリックダウンコンersionのどの非線形光学過程でtachyonic波パッケージを観測できるか？
• RQ5 量子情報の見かけ上の超光速伝播は、相対論的因果律と整合性があるか？

主な発見

• 有限媒体におけるパラメトリック増幅の起動段階で、超光速位相速度を示すtachyonic光の分散が生じる。
• 安定（臨界値未満）領域では、プローブパルスは超光速で先行するピークを示すが、共役反射は光速未満のままである。
• 不安定（臨界値超過）領域では、指数的増幅の開始前まで、透過および反射両方で超光速応答が発生する。
• 量子情報伝送は因果的であり、先行するピークは実際の増幅開始時刻より前であるに限定される。
• この現象は、四波混合、強誘導ラマン散乱、およびパラメトリックダウンコンersionの構成で明示的に示されている。
• 最大の超光速先行は、ポンプの起動直後の一時的期間に限定され、相対論的因果律に反しない。