[論文レビュー] Steady-state superradiance with Rydberg polaritons

Zhexuan Gong, Minghui Xu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2016

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

ひとこと要約

本論文は、原子が狭帯域光学遷移にあるキャビティにラジカル状態を埋め込むことで、超短帯域幅、非古典的光を発生させる定常状態の超放射レーザーを提案する。ラジカルブロッキングが強いキャビティ非線形性を引き起こし、原子の位相同期を可能にし、極めて鋭い中央ピークを有するモラウルトリプレットを生成する。これにより、古典的超放射レーザーと比較して100倍以上狭帯域の帯域幅を達成しながら、非古典的反束縛性を維持する。

ABSTRACT

A steady-state superradiant laser can be used to generate ultranarrow-linewidth light, and thus has important applications in the fields of quantum information and precision metrology. However, the light produced by such a laser is still essentially classical. Here, we show that the introduction of a Rydberg medium into a cavity containing atoms with a narrow optical transition can lead to the steady-state superradiant emission of ultranarrow-linewidth $nonclassical$ light. The cavity nonlinearity induced by the Rydberg medium strongly modifies the superradiance threshold, and leads to a Mollow triplet in the cavity output spectrum$-$this behavior can be understood as an unusual analogue of resonance fluorescence. The cavity output spectrum has an extremely sharp central peak, with a linewidth that can be far narrower than that of a classical superradiant laser. This unprecedented spectral sharpness, together with the nonclassical nature of the light, could lead to new applications in which spectrally pure $quantum$ light is desired.

研究の動機と目的

• 量子計測や量子情報技術への応用を目的として、非古典的かつスペクトル的に純粋な光を発生させる定常状態の超放射を達成すること。
• 超放射レーザーにおけるスペクトル狭帯域化に必要な悪キャビティ極限と、キャビティ非線形性の間の根本的トレードオフを克服すること。
• ラジカル媒体による光子ブロッキングが、強い非線形性とレーザー原子の位相同期の両方を可能にすることを実証すること。
• 出力キャビティにモラウルトライプレットが重畳された超鋭い中央ピークを持つ構造を設計し、ショットノイズ制限を超えるスペクトル性能を実現すること。
• 量子ネットワークやショットノイズを超える分光法など、高スペクトル純度と非古典的光を必要とする新規応用を可能にすること。

提案手法

• ラジカル媒体を用いてキャビティ内に強い光子ブロッキングを誘発し、キャビティモードを複数光子占有を遮断する有効な二準位系に変換する。
• ラジカル媒体の集団的増幅効果を活用することで、単一原子の強い結合を必要とせず、悪キャビティ極限と整合性を保ったまま強い非線形性を達成する。
• キャビティ場と原子演算子のマスター方程式を用いて系をモデル化し、ブロッキングされたキャビティモードの有効二準位性を組み込む。
• 積率展開と断熱的消去を適用し、修正された非可換関係 $[b,b^{ullet}]=1-2b^{ullet}b$ を考慮した、定常状態のキャビティ場相関関数と帯域幅を導出する。
• キャビティ出力スペクトルを分析し、ブロッキングによって誘発されるエネルギースケールに起因する超鋭い中央ピークの出現とモラウルトライプレット構造を同定する。
• 有効ラビ周波数 $\Omega_{ ext{eff}}$ と修正された減衰率 $\Gamma$ を用いて、出力光の動的特性とスペクトル的性質を記述する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラジカル状態を有するキャビティにおいて、定常状態の超放射と非古典的光の生成を同時に達成できるか？
• RQ2 ラジカル媒体における光子ブロッキングは、超放射の閾値と発光帯域幅にどのように影響を与えるか？
• RQ3 キャビティ出力のスペクトル構造は何か？また、ブロッキングによって誘発される超鋭い中央ピークを有するモラウルトライプレットを示すことができるか？
• RQ4 ブロッキング効果によって、古典的超放射レーザーの限界を下回る帯域幅をパラメトリックに小さくできるか？
• RQ5 スペクトル狭帯域化と狭帯域成分のパワーの間にはどのようなトレードオフがあり、それをどのように緩和できるか？

主な発見

• ブロッキングされたキャビティモードが有効二準位系を形成するため、キャビティ出力スペクトルにモラウルトライプレット構造が現れる。
• スペクトルに超鋭い中央ピークが出現し、帯域幅 $\Gamma_{\min} = 2\tilde{\kappa}C\gamma$ は、古典的超放射帯域幅 $C\gamma$ よりもパラメトリックに小さくなる。
• 10^6 個のレーザー原子と $\tilde{\kappa} \ll 1$ の条件下では、帯域幅が古典的超放射レーザーの100倍以上狭くなる。
• 出力光は非古典的であり、光子放出後のキャビティの再充填に必要なラビ振動周期のため、$g^{(2)}(t)$ に明確な反束縛性が観測される。
• 光子フラックスは $\langle b^\dagger b \rangle \approx 1/2$ でほぼ最大に達するが、狭帯域成分のパワー割合は $\langle 1 - 2b^\dagger b \rangle$ に比例する。
• 帯域幅の低減は、ブロッキングされたキャビティにおける修正された非可換関係に起因し、これにより連続した光子放出が抑制され、有効減衰率が再正規化される。