[論文レビュー] Quadrature Squeezing in the Cavity Mode Driven by Coherent Light and Interacting with Two-Level Atom

Beyene Bashu, Fesseha Kassahun|arXiv (Cornell University)|Dec 12, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 17被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、コherent光で駆動され、2準位原子と結合するキャビティモードにおける四分位 squeezingを、原子-キャビティ相互作用に妥当な修正された交換関係を用いて調査する。キャビティモードは真空中のレベル未満で最大50%のsqueezingを示し、2つのこのようなモードを重ね合わせた場合、両方の四分位がsqueezedされ、不確定性関係が保たれる。これは非古典的挙動を確認し、量子応用の可能性を示している。

ABSTRACT

We have analyzed the quadrature squeezing in a cavity mode driven by coherent light and interacting with a two-level atom. We have found that the cavity mode is in a squeezed state, with the maximum quadrature squeezing being $50\%$ below the vacuum-state level. We have also considered the superposition of a pair of cavity modes, each driven by coherent light and interacting with a two-level atom. We have found that the superposed cavity modes are in a squeezed state and the squeezing occurs in both quadratures. We have established that the uncertainty relation perfectly holds for this case. In addition, we have observed that the sum of the maximum squeezing in the plus and minus quadratures is $50\%$.

研究の動機と目的

• コherent光で駆動され、2準位原子と相互作用するキャビティモードにおける四分位 squeezingを、このような系における標準的でない交換関係を補正して分析すること。
• コherent光で駆動され、2準位原子と結合する2つのキャビティモードの重ね合わせの量子的性質を調査すること。
• squeezed重ね合わせキャビティモードの文脈において、不確定性関係の有効性を検証すること。
• 四分位のsqueezingの程度を定量し、駆動光強度との依存関係を特定すること。
• 高精度測定および量子通信への応用が期待される非古典的光の生成可能性を検討すること。

提案手法

• ステディステート近似を用いて、コherent駆動および原子-キャビティ相互作用の下でのキャビティモード演算子の量子ランジュバン方程式を導出する。
• 2準位原子が存在する状況におけるキャビティ演算子の修正された交換関係を適用し、標準的 $[\hat{a}, \hat{a}^\dagger] = 1$ からのずれを補正する。
• 2つの結合キャビティモードを記述する重ね合わせ演算子 $\hat{c} = \frac{1}{\sqrt{2}}(\hat{a} + \hat{b})$ を導入し、ランジュバン方程式を用いてそのダイナミクスを導出する。
• $\hat{a}$, $\hat{\sigma}$ および関連演算子の期待値のステディステート方程式を解き、四分位分散を計算する。
• 四分位分散 $ (\Delta c_{\pm})^2 $ を計算し、真空中の分散と比較してsqueezingを定義する。
• 不確定性関係が $ \Delta c_{+} \Delta c_{-} \geq \frac{1}{4} $ を満たすことを確認することで、量子的一致性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2準位原子と相互作用するコherent光で駆動されるキャビティモードにおける四分位squeezingの程度は、正しい交換関係を用いることでどの程度になるか？
• RQ2 2つのこのようなキャビティモードを重ね合わせた場合、両方の四分位におけるsqueezing特性にどのような影響が生じるか？
• RQ3 これらの条件下で、重ね合わせキャビティモードに対して不確定性関係が成立するか？
• RQ4 squeezingは駆動コherent光の振幅にどのように依存するか？
• RQ5 プラスおよびマイナス四分位におけるsqueezingの合計は、個々のモードにおけるsqueezingとどのように関係するか？

主な発見

• キャビティモードは、最適な駆動強度で真空中のレベル未満で最大50%の四分位squeezingを示す。
• 重ね合わせキャビティモードでは、プラスおよびマイナス四分位の両方がsqueezedされ、不確定性関係が完璧に満たされる。
• プラス四分位とマイナス四分位におけるsqueezingの合計は、個々のキャビティモードにおけるsqueezingに等しく、すなわち $ S_{+} + S_{-} = S $ が成り立つ。ここで $ S $ はモード $ a $ または $ b $ におけるsqueezingを表す。
• 重ね合わせモードの四分位分散は $ (\Delta c_{\pm})^2 = \frac{2\gamma_c}{\kappa} - \frac{16\gamma_c^2\varepsilon^2}{(8\varepsilon^2 + \kappa\gamma_c)^2} $ で与えられ、真空中の挙動とは異なることを示している。
• 四分位不確実性の積 $ \Delta c_{+} \Delta c_{-} $ は量子限界を超えて保たれ、不確定性原理の有効性が確認される。
• 重ね合わせモードの平均光子数は単一モードの2倍であるため、結合系における非古典的性質の強化が示唆される。