[論文レビュー] Quantum statistics of polariton parametric interactions

M. Sassermann, Z. Vörös+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ガリウム砒素（GaAs）平面マイクロカビティを用いた極子パラメトリック散乱における量子統計を調査し、信号-信号およびイデアル-イデアル相関が、非相関背景光のため、信号-イデアル相関を上回ることを実証した。スペクトルおよび時間的フィルタリングを適用することで、背景を低減し、非古典的光子統計へのシフトを観測したが、値は依然として古典的領域にとどまり、非古典的性質の観測には、より高い時間分解能が鍵であることが示された。

ABSTRACT

Using a high-quality GaAs planar microcavity, we optically generate polariton pairs, and verify their correlations by means of time-resolved single-photon detection. We find that correlations between the different modes are consistently lower than identical mode correlations, which is attributed to the presence of uncorrelated background. We discuss a model to quantify the effects of such a background on the observed correlations. Using spectral and temporal filtering, the background can be suppressed and a change in photon statistics towards non-classical correlations is observed. These results improve our understanding of the statistics of polariton-polariton scattering and background mechanisms, and pave the way to the generation of entangled polariton pairs.

研究の動機と目的

• パラメトリック励起下における平面マイクロカビティ内での極子-極子散乱の量子統計を理解すること。
• 非相関背景光が信号モードとイデアルモード間の量子相関を劣化させる役割を特定・定量すること。
• スペクトルおよび時間的フィルタリングが背景を低減し、非古典的光子統計を強化する方法を調査すること。
• 極子ベースの量子系において、反束縛（anti-bunching）のような非古典的挙動を観測可能かどうかを評価すること。
• 検出時間分解能およびマイクロカビティ設計の改善が、観測可能な量子相関を可能にするかどうかを評価すること。

提案手法

• パラメトリック散乱により下位極子分岐上に極子対を生成する高品質なGaAs平面マイクロカビティを光で励起する。
• 時間分解能を有する単一光子検出を用いて、信号、イデアル、ポンプモード間の強度相関を測定する。
• 非相関背景光を低減し、パラメトリックに生成された極子対を分離するために、スペクトルおよび時間的フィルタリングを適用する。
• 背景寄与をドナーによる共鳴吸収および再放出としてモデル化し、相関測定に与える影響を評価する。
• 非古典的性質の証拠（例：ΔW）および条件付きコherenctyを計算し、非古典的領域からの距離を定量化する。
• ガウス型検出器応答関数を用いて、時間分解能の向上効果を外挿し、10 ps FWHMのジャイタを持つシステムの性能を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 なぜ極子パラメトリック散乱において、信号-信号およびイデアル-イデアル相関が信号-イデアル相関を上回るのか？
• RQ2 ドナー再結合による非相関背景光が、測定された量子相関にどの程度歪みをもたらすのか？
• RQ3 スペクトルおよび時間的フィルタリングは、背景低減および非古典的光子統計の強化にどの程度効果的か？
• RQ4 極子系において非古典的反束縛を観測するには、どの程度の検出時間分解能が必要か？
• RQ5 Rabi分裂の増大および線幅の狭小化を含むマイクロカビティ設計の改善が、背景を顕著に低減し、量子シグネチャーを強化できるか？

主な発見

• 非相関背景光の存在により、信号-信号およびイデアル-イデアル相関が常に信号-イデアル相関を上回ることが確認された。
• 背景は、パラメトリックに生成されたモードと同一の位相空間領域に存在する自由励起子をドナーが共鳴吸収・再放出することに起因するとされる。
• スペクトルおよび時間的フィルタリングにより背景が低減され、系は非古典的性質に近づき、最小の一致窓において非古典的性質からの距離（ΔW）が約2.6標準偏差減少した。
• フィルタリングを施しても、測定された光子統計は依然として古典的領域にあり、条件付きコherenctyの値から古典的挙動が示された。
• 外挿により、10 ps FWHMのタイミングジャイタを持つ検出システムでは、クロス相関がgH(0) ≈ 0.88に向上し、非古典的反束縛に近づくことが示された。
• 検出器の時間分解能の向上が、非古典的統計を観測するための最も効果的な手段であると特定され、3倍の改善が非古典的統計の観測を可能にする可能性がある。