[論文レビュー] Ultrafast non-destructive measurement of the quantum state of light using free electrons

Alexey Gorlach, Aviv Karnieli+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2020

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications参考文献 7被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、光の超高速量子状態トモグラフィーを自由電子を用いて非破壊的に行う新規手法を提案する。光の量子状態と相互作用する前後における電子状態を正確に制御することで、準位状態の分解能を下回るアトセカンド分解能が達成され、全光子統計の抽出と再現不能な量子状態のシングルショット測定が可能になる。これは、高い非線形性と非破壊的測定能力を有する、根本的に新しいクラスの光検出器を提供する。

ABSTRACT

Since the birth of quantum optics, the measurement of quantum states of nonclassical light has been of tremendous importance for advancement in the field. To date, conventional detectors such as photomultipliers, avalanche photodiodes, and superconducting nanowires, all rely at their core on linear excitation of bound electrons with light, posing fundamental restrictions on the detection. In contrast, the interaction of free electrons with light in the context of quantum optics is highly nonlinear and offers exciting possibilities. The first experiments that promoted this direction appeared over the past decade as part of photon-induced nearfield electron microscopy (PINEM), wherein free electrons are capable of high-order multi-photon absorption and emission. Here we propose using free electrons for quantum-optical detection of the complete quantum state of light. We show how the precise control of the electron before and after its interaction with quantum light enables to extract the photon statistics and implement full quantum state tomography using PINEM. This technique can reach sub-attosecond time resolutions, measure temporal coherence of any degree (e.g., g(1), g(2)), and simultaneously detect large numbers of photons with each electron. Importantly, the interaction of the electron with light is non-destructive, thereby leaving the photonic state (modified by the interaction) intact, which is conceptually different from conventional detectors. By using a pulse of multiple electrons, we envision how PINEM quantum detectors could achieve a single-shot measurement of the complete state of quantum light, even for non-reproducible emission events. Altogether, our work paves the way to novel kinds of photodetectors that utilize the ultrafast duration, high nonlinearity, and non-destructive nature of electron-light interactions.

研究の動機と目的

• 束縛電子の線形励起に依存する従来の光検出器の根本的限界を克服すること。
• 光の完全な量子状態、特に光子統計と時間的コherenecyを非破壊的に測定する手法を開発すること。
• 再現不能な量子光放出イベントのシングルショット、高分解能測定を可能とすること。
• 自由電子と光の非線形相互作用を活用して、超高速量子光学検出を実現すること。
• アトセカンド分解能を有する電子-光相互作用に基づく、光検出器の新たなパラダイムを確立すること。

提案手法

• 非線形電子-光相互作用を媒介するために、光誘起近接場電子顕微鏡（PINEM）を用いる。
• 光の量子状態と相互作用する前後における電子波動関数の精密な制御により、量子状態情報の抽出を実現する。
• 光と相互作用後の電子のエネルギーおよび運動量の変化に、量子状態トモグラフィー技術を適用する。
• 非再現可能な量子光状態のシングルショット測定を実現するために、多電子パルスを用いる。
• 光場によって誘起される電子エネルギーシフトを用いて、時間的コherenecy関数（例：g(1), g(2)）を測定する。
• 電子-光結合の非破壊的性質に依存し、測定後に光子状態を保存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由電子を用いて、光の完全な量子状態を非破壊的かつ超高速に測定することは可能か？
• RQ2 自由電子と光の間の非線形相互作用は、どの程度まで完全な量子状態トモグラフィーを可能にするか？
• RQ3 この手法は、光の量子状態測定において、アトセカンド分解能を達成できるか？
• RQ4 電子を用いた検出により、再現不能な量子放出イベントをシングルショットで測定することは可能か？
• RQ5 電子のエネルギーおよび運動量の変化が、光子統計とコherenecyの情報としてどのように符号化されるか？

主な発見

• 本手法により、光の量子状態の非破壊的測定が可能となり、相互作用後に光子状態が保存される。
• 電子-光結合の超高速ダイナミクスのおかげで、アトセカンド分解能が達成可能である。
• 電子エネルギーのシフトから、光子統計および時間的コherenecy（g(1), g(2)）を含む完全な量子状態トモグラフィーが抽出可能である。
• 多電子パルスを用いることで、再現不能な量子光放出状態のシングルショット測定が可能である。
• 電子-光相互作用における高い非線形性を活用し、1電子あたり多数の光子を検出可能である。
• 非破壊的・非線形的・超高速の性質のおかげで、従来の検出器とは根本的に異なるアプローチをとる。