[論文レビュー] Synthesizing electromagnetically induced transparency without a control field in waveguide QED using small and giant atoms

Andreas Ask, Yao-Lung L. Fang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、外部制御場を必要とせず、二準位原子（小規模および巨大原子）のみを用いて波ガイドQEDにおいて電磁誘起透過（EIT）を合成可能であることを示している。特に、調整された結合配置からの量子干渉を活用することで、原子が周波数がずれている場合やねじれ構造の巨大原子を用いる場合に、蛍光の抑制を伴う真正のEITを示す構成が特定され、複雑な駆動場を用いずに遅延光および非相反的光子輸送を実現可能である。

ABSTRACT

The absorption of photons in a three-level atom can be controlled and manipulated by applying a coherent drive at one of the atomic transitions. The situation where the absorption is fully canceled, and the atom thus has been turned completely transparent, has been coined electromagnetically induced transparency (EIT). The characteristics of EIT is a narrow transparency window associated with a fluorescence quench at its center frequency, indicating that inelastic scattering at this particular point is suppressed. The emergence of EIT-like transparency windows is common in waveguide quantum electrodynamics (QED) when multiple closely spaced quantum emitters are coupled to a waveguide. The transparency depends on the separation and energy detuning of the atoms. In this work, we study a number of different setups with two-level atoms in waveguide QED that all exhibit EIT-like transparency windows. Unlike the case of a genuine three-level atom, no drive fields are required in the systems we consider, and the coherent coupling of energy levels is mediated by the waveguide. We specifically distinguish between systems with genuine EIT-like dynamics and those that exhibit a transparency window but lack the fluorescence quench. The systems that we consider consist of both small and giant atoms, which can be experimentally realized with artificial atoms coupled to either photons or phonons. These systems can offer a simpler route to many EIT applications since the need for external driving is eliminated.

研究の動機と目的

• 外部制御場を用いずに、内在的な量子干渉に依存して波ガイドQEDにおいてEITに類似した透過窓が出現することを示すこと。
• 蛍光の抑制を伴う真正のEIT（蛍光が抑制される）を示す系と、非弾性散乱の抑制がない透過窓を示す系を区別すること。
• 特に複数の結合点を持つ巨大原子を含む構成が、真正の暗状態およびEIT行動を支えることのできるものを同定すること。
• 1次元波ガイドに結合する二準位系におけるEIT領域を特定する理論的枠組みを提供すること。超伝導回路や他の波ガイドQEDプラットフォームに適用可能である。
• 複数のコherent駆動を必要としないため、EITに基づく量子技術のより単純かつスケーラブルな実装を可能とすること。

提案手法

• 1次元波ガイドQEDにおける二準位原子（小規模および巨大原子）を含む系の透過係数を計算するために散乱行列理論を用いた。結合点は任意の位置に設定可能。
• 量子干渉と暗状態形成に基づくEIT領域の基準を導出し、ねじれ構造やネストド結合幾何配置を含む多様な構成に適用可能であることを示した。
• 単一光子状態におけるマスター方程式を数値的に解き、透過周波数における非弾性光子フラックスを計算し、蛍光抑制の有無を評価した。
• 図1(b)～(e)の構成を体系的に比較し、原子の周波数ずれと結合幾何配置が暗状態の形成に与える影響を分析した。
• 透過率を計算するために伝送行列法を用いたが、フィードバックループを有する複雑な巨大原子構成ではこの手法の限界を強調した。
• 巨大原子における多点結合の役割を評価し、外部駆動なしに非自明な干渉効果を生み出し、EITを模倣するメカニズムを可能としている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 外部制御場を用いずに、内在的な量子干渉に依存して波ガイドQEDにおいてEITに類似した透過窓が出現するか？
• RQ2 波ガイド内に配置された二準位原子（小規模または巨大原子）のどの構成が、蛍光抑制を伴う真正のEIT効果を示すか？
• RQ3 原子の周波数ずれおよび結合幾何配置（例：ねじれ構造またはネストド構造）は、暗状態の形成および非弾性散乱の抑制にどのように影響するか？
• RQ4 蛍光抑制のないEITに類似した透過窓を示す系と、真正のEIT行動を示す系の違いは何か？
• RQ5 従来の三準位系に比べ、より柔軟性が高く実験的負荷が低いという点で、巨大原子を設計してEITに類似した効果を実現できるか？

主な発見

• 蛍光抑制を伴う真正のEITは、二重励起状態が抑制される系、例えば周波数がずれた二準位原子やねじれ構造の巨大原子においてのみ発現する。これは真正の暗状態が形成されていることを確認する。
• 周波数がずれていない原子や単一結合点を有する系（例：小規模原子やねじれ構造でない巨大原子）では、透過窓が観測されるが蛍光抑制が見られないため、非弾性散乱が完全に抑制されていない。
• EIT領域は、量子干渉と結合幾何配置に基づく基準によって特定され、巨大原子における結合点の相対位相および位置に依存する。
• ねじれ構造およびネストド結合幾何配置の巨大原子は、外部駆動なしに非自明な干渉を生み出し、暗状態を支えることができ、これはΛ型系の挙動を模倣する。
• 特定の構成では蛍光抑制が見られないことから、透過が量子干渉によるものではなく、レベル分裂やスペクトルフィルタリングなどの他のメカニズムによるものであると示唆される。
• 結果から、特に巨大原子を用いた二準位系が、量子メモリーや非相反的デバイスなどのEITに基づく応用において、三準位原子に代わる選択肢となり得ることが示唆され、実験的複雑性が低減される。