[論文レビュー] The quantum nature of light in high harmonic generation.

Maciej Lewenstein, Marcelo F. Ciappina+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2020

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高調波生成の最初の厳密な量子電磁力学的記述を提供し、駆動レーザーと生成された高調波の両方が量子状態としてコherentであることを示した。この研究は、高調波生成過程が、シュレーディンガーのネコと真のシュレーディンガーのネコの中間をとる重ね合わせ状態を生成することを明らかにした。これは、強場物理学および量子技術分野における基盤的量子枠組みを確立するものである。

ABSTRACT

High-harmonic generation is one of the most fundamental processes in strong laser-field physics that has led to countless achievements in atomic physics and beyond. However, a rigorous quantum electrodynamical picture of the process has never been reported. Here, we prove rigorously and demonstrate experimentally that the quantum state of the driving laser field, as well as that of harmonics, is coherent. Projecting this state on its part corresponding to harmonic generation, it becomes a superposition of a state, amplitude-shifted due to the quantum nature of light, and the initial state of the laser. This superposition interpolates between a Schrodinger kitten, and a genuine Schrodinger cat state. This work opens new paths for ground-breaking investigations in strong laser-field physics and quantum technology. We dedicate the work to the memory of Roy J. Glauber, the inventor of coherent states.

研究の動機と目的

• 高調波生成のための厳密な量子電磁力学的フレームワークを確立すること、これは強レーザー場物理学の基盤的プロセスである。
• 高調波生成過程における駆動レーザー場と生成された高調波の量子的性質を調査すること。
• 系の量子状態がシュレーディンガーのネコに類似した状態であるシュレーディンガーのネコの幼い状態（kitten）か、真のシュレーディンガーのネコ状態に進化するかを特定すること。
• 強場物理学における半古典的モデルと完全な量子記述との間のギャップを埋めること。

提案手法

• 高調波生成中の強いレーザー場と原子系の相互作用を量子電磁力学を用いてモデル化すること。
• 高調波生成に関連する部分空間に系の完全な量子状態を射影することで、関連する量子力学的ダイナミクスを分離すること。
• 得られた状態を、初期レーザー状態と光の量子的性質に起因する振幅シフトを伴うバージョンの重ね合わせとして分析すること。
• 理論的分析と実験的検証を併用して、生成された量子状態のコherenceともつれの特徴を確認すること。
• coherent状態と量子重ね合わせの形式的枠組みを用いて、生成された状態がシュレーディンガーのネコの幼い状態と真のシュレーディンガーのネコ状態の中間をとることを特徴づけること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高調波生成過程におけるレーザー場と生成された高調波の真の量子状態は何か？
• RQ2 高調波生成プロセスは、ネコに類似した性質を示す重ね合わせ状態を生成するか？
• RQ3 光の量子的性質は、生成された高調波の振幅とコherenceにどのように影響を与えるか？
• RQ4 生成された状態は、どの程度シュレーディンガーのネコの幼い状態と類似しているか、あるいは真のシュレーディンガーのネコ状態に近いか？

主な発見

• 量子電磁力学が予測した通り、駆動レーザー場と生成された高調波の量子状態がコherentであることが確認された。
• 高調波生成プロセスは、シュレーディンガーのネコの幼い状態と真のシュレーディンガーのネコ状態の中間をとる重ね合わせ状態を生成する。
• 光の固有の量子的性質に起因する量子振幅シフトが生じており、これは実験的に検証可能である。
• 系の量子状態は単なる古典的重ね合わせではなく、測定可能な量子的特徴を持つ非古典的重ね合わせである。