[論文レビュー] Quantum Correlations, Entanglement, and Squeezed States of Light in Kerr Optical Frequency Combs

Yanne K. Chembo|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

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ひとこと要約

本論文は、半古典的モデルに量子ノイズを組み込むことで、Kerr光周波数コンブにおける量子相関、マルチモードもつれ、および圧縮状態の理論的枠組みを提供する。解析的に、ポンプモードの周囲に対称的なサイドモードが最適な条件下で量子相関を示し、動的状態、コンブ帯域幅、分散状態に依存せずに圧縮を生じることを示している。出coupling効率は圧縮効率において重要な要因である。

ABSTRACT

The dynamical behavior of Kerr optical frequency combs is very well understood today from the perspective of the semi-classical approximation. In this article, we provide a theoretical understanding of the phenomena of quantum correlations, multimode entanglement and squeezed states of light that can occur in these frequency combs when quantum noise is accounted for. We prove that for all stationary spatio-temporal patterns, the side-modes that are symmetrical relatively to the central (pumped) mode in the frequency domain display quantum correlations that can lead to squeezed states of light under some optimal conditions that are analytically determined. We show that these quantum correlations can persist regardless the dynamical state of the system (rolls or solitons), regardless of the spectral extension of the comb (number sidemodes), and regardless of the dispersion regime (normal or anomalous). We study with particular emphasis the two principal architectures for Kerr comb generation, namely the add-through and add-drop configurations. We show that in both cases, the ratio between out-coupling and total losses plays a key role as it directly determines the efficiency of the squeezing. We also explicitly determine the phase quadratures leading to photon entanglement, and analytically calculate their quantum noise spectra. The relevance of Kerr combs for quantum information systems at optical telecommunication wavelengths is also discussed.

研究の動機と目的

• 半古典的近似を超えたKerr光周波数コンブにおける量子相関ともつれを理解すること。
• これらのコンブで光の圧縮状態が生じる条件を特定すること。
• 追加透過型および追加ドロップ型構成における圧縮効率を決定する要因として、出couplingと全損失の比の役割を分析すること。
• 光子もつれに寄与する位相四元数を特定し、それらの量子ノイズスペクトルを計算すること。
• Kerrコンブが光通信波長帯域における量子情報システムにどのように応用可能かを評価すること。

提案手法

• Kerr周波数コンブの半古典的モデルに量子ノイズアプローチを採用する。
• 空間的・時間的パターン（ロールやソリトン）を分析し、対称的なサイドモードにおける量子相関を導出する。
• 解析的手法を用いて、分散状態やコンブ帯域幅に依存しない圧縮の最適条件を特定する。
• 追加透過型および追加ドロップ型の2つの主要なアーキテクチャをモデル化し、出couplingと全損失の比に注目する。
• 光子もつれに関連する位相四元数の量子ノイズスペクトルを明示的に計算する。
• マルチモードもつれおよび圧縮が同一の量子相関からどのように生じるかの条件を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerr周波数コンブにおける量子相関が、どのような条件下で光の圧縮状態を生じるか。
• RQ2 出coupling効率は、追加透過型および追加ドロップ型構成における圧縮生成にどのように影響するか。
• RQ3 量子相関ともつれは、さまざまな動的状態（例：ロール対ソリトン）および分散状態においても頑健か。
• RQ4 これらのシステムにおける光子もつれに寄与する位相四元数は何か。
• RQ5 Kerrコンブは、光通信波長帯域における量子情報応用をどの程度実現可能か。

主な発見

• Kerr周波数コンブの対称的サイドモードにおける量子相関は、解析的に導かれた最適条件下で光の圧縮状態を生じうる。
• これらの量子相関およびそれに伴う圧縮は、コンブの動的状態（ロールまたはソリトン）にかかわらず頑健である。
• コンブのスペクトル的拡張（サイドモード数）は、量子相関や圧縮の発生を制限しない。
• 出couplingと全損失の比は、追加透過型および追加ドロップ型構成の両方において、圧縮効率を決定づける重要な要因である。
• 光子もつれに寄与する位相四元数は明確に特定され、それらの量子ノイズスペクトルは解析的に計算された。
• Kerr周波数コンブは、その頑健な量子相関と調整可能な圧縮特性のおかげで、光通信波長帯域における量子情報システムの実現可能性が示された。