[論文レビュー] Quantum electrodynamics near photonic Weyl points

Iñaki García-Elcano, Alejandro González-Tudela+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、線形分散と状態密度の零点を示すトポロジカルな点であるフォトン的ウェイル点近傍における量子電磁力学を調査し、これらの点に結合する量子発光体が、局在化したフォトン束縁状態によって誘発される非指数的崩壊を示すことを示している。これらの状態は、範囲を調整可能に保ちつつ、位相的に保護されたコherentで長距離に及ぶ相互作用を媒介する。これは、量子シミュレーションのための特異なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Weyl photons appear when two three-dimensional photonic bands with linear dispersion are degenerate at a single momentum point, labeled as Weyl point. These points have remarkable properties such as being robust topological monopoles of Berry curvature as well as an associated vanishing density of states. Here, we study the quantum optical consequences of such topological Weyl photons by characterizing the individual and collective dynamics of quantum emitters close to resonance with these points. Using an exact non-perturbative treatment, we predict the development of non-exponential decay dynamics due to the emergence of localized photonic states around the emitters. We find that these bound states, whose wavefunction displays power-law spatial decay, can mediate coherent and topological long-range interactions when many emitters exchange energy through Weyl photons. Furthermore, by exploiting the topological protection of Weyl points, we provide a recipe to tune the range of the mediated interactions while keeping their power-law nature, something not possible in any other photonic platform. Thus, Weyl photons enable coherent, tunable, long-range interactions between emitters, and therefore can become a very valuable platform in the context of quantum simulation.

研究の動機と目的

• フォトン的ウェイル点がベリー曲率のトポロジカルモノポールと状態密度の零点を有することに起因する、ウェイル点近傍の発光体の量子的光学的応答を理解すること。
• 個々のおよび集団的な発光体がウェイル光子に強く結合する際のダイナミクスを調査し、特に非マーカフ過程の崩壊と束縁状態の形成に注目すること。
• ウェイル光子が、パワー則の崩壊を維持しつつ、範囲を調整可能なコherentで長距離に及ぶ相互作用を発光体間で媒介できることを示すこと。これは、従来のフォトリックプラットフォームには見られない特徴である。
• トポロジカルフォトリック系における相互作用範囲を調整するための設計ルールを確立すること。

提案手法

• 線形分散を示すウェイルフォトリックバンドを有する系における量子電磁力学問題を、正確な非摂動的アプローチで解く。
• ウェイル点近傍の発光体に束縁されたフォトン状態のスペクトル的および空間的性質を分析し、波動関数の振幅におけるパワー則の崩壊を明らかにする。
• ウェイル点のトポロジカル性を用いて、束縁状態および媒介される相互作用が摂動に対して頑健であることを示す。
• 複数の発光体がウェイル光子を介して結合する際の有効ハミルトニアンを導出し、長距離相互作用の性質を特徴付ける。
• 系のパラメータを変更することで、相互作用の範囲を調整可能でありつつも、パワー則の性質を維持できることを示す。
• ウェイル点のトポロジカル保護を活用し、媒介される相互作用の安定性およびコherently性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発光体がフォトン的ウェイル点に共鳴する場合、その崩壊ダイナミクスはどのように変化するのか。また、これらの点のトポロジカル性は崩壊ダイナミクスにどのような役割を果たすのか。
• RQ2 ウェイル点近傍の発光体の周囲にどのようなフォトン束縁状態が生成されるのか。また、その空間的性質は発光体間の相互作用にどのように影響するのか。
• RQ3 ウェイル光子は、複数の発光体間でコherentで長距離に及ぶ相互作用を媒介できるか。もしそうならば、その範囲と強度は何かによって決定されるのか。
• RQ4 ウェイルフォトリック系において、相互作用の範囲をどの程度調整可能にできるのか。また、その際、パワー則の性質は保持されるのか。
• RQ5 トポロジカル保護は、このプラットフォームにおける発光体が媒介する相互作用の安定性およびコherently性に、どのように影響を与えるのか。

主な発見

• ウェイル点近傍の量子発光体では、パワー則の空間的崩壊を示す局在化したフォトン束縁状態が形成されることにより、非指数的崩壊ダイナミクスが生じる。
• 束縁状態は、複数の発光体間でコherentで長距離に及ぶ相互作用を媒介し、従来のフォトリック系では得られない集団的ダイナミクスを可能にする。
• 相互作用はトポロジカルに保護されており、局所的摂動に対して頑健である。
• 媒介される相互作用の範囲は、パワー則の性質とは独立して調整可能であり、これはウェイル点のトポロジカル性に起因する特徴的な性質である。
• 本システムは、従来のフォトリックプラットフォームとは根本的に異なる、調整可能でコherentかつ長距離に及ぶ相互作用をサポートする。
• 正確な非摂動的取り扱いにより、これらの相互作用の安定性およびコherently性が確認され、量子シミュレーションへの応用可能性が浮き彫りになる。