[論文レビュー] Unconventional photon blockade in coupled optomechanical systems

Vincenzo Savona|arXiv (Cornell University)|Feb 24, 2013

Mechanical and Optical Resonators参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、弱い光力学的結合下で、二光子状態への励起経路間の破壊的量子干渉によって引き起こされる、非従来型光子ブロッキング（UPB）が結合光力学系で発生しうることを示している。従来型光子ブロッキングとは異なり、UPBは非常に小さな非線形シフト Δg ~ 10⁻⁴κ から 10⁻¹κ でのみ要求されるため、g/κ ~ 0.1–1 の現在の実験的光力学系で実現可能である。

ABSTRACT

We show that in laser-driven coupled optomechanical systems, photon antibunching can occur under weak optomechanical coupling, contrarily to common expectation. This unconventional photon blockade originates from destructive quantum interference between different excitation pathways bringing from the ground to two-photon states. Using a quantum open-system approach, we study the antibunching as a function of driving field amplitude, temperature, and pure dephasing rate, and derive optimal values of the system parameters for its occurrence. These values are remarkably close to those characterizing optomechanical systems in some current experimental studies.

研究の動機と目的

• 非従来型光子ブロッキング（UPB）が、強い非線形性ではなく量子干渉によって生じる光子反相関を示す結合光力学系（OMS）において実現可能かどうかを調査すること。
• 特に弱い光力学的結合下で、低い非線形性にもかかわらずUPBが発生するパラメータ領域を同定すること。
• 純デコherence、熱雑音、駆動場強度などの実験的不確実要因に対するUPBのロバストネスを評価すること。
• UPBの要件を現在の実験的光力学系と比較し、観測に適した候補を特定すること。

提案手法

• 放射圧により機械的振動子と結合する2つの光学モードを有する駆動・散逸的量子光力学ハミルトニアンに基づく形式的アプローチ。
• ポラロン変換を用いて光力学的結合を有効な非線形シフト Δg = g²/ωm に写像し、系の非調和スペクトルの解析を可能にする。
• マコビアン散乱とデコherenceをモデル化するため、von Neumann方程式に Lindblad マスター方程式を適用。
• 純デコherenceは Γ 比例の Lindblad 項で、熱的効果は機械的バスターミナルの Nth = (e^{ωm/kBT} − 1)⁻¹ で記述。
• 光子反相関を定量化するため、第二階相関関数 g⁽²⁾(0) の数値計算を実施し、J、Γ、ε、T、および系パラメータを体系的に変動。
• ポラロン的アプローチと弱結合領域の妥当性を保証するため、明確なサイドバンド条件（ωm ≫ κ）下での系の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来の期待とは反して、弱い光力学的結合下でも、結合光力学系で非従来型光子ブロッキング（UPB）が実現可能かどうか。
• RQ2 損失とデコherenceが存在する中で、駆動場強度の強さがUPBの出現とロバストネスに与える影響は。
• RQ3 純デコherenceと熱雑音がUPBの可視性に与える影響は何か。また、UPBを抑制するパラメータの閾値は何か。
• RQ4 現在の実験的光力学系の中で、UPBの観測に最適な条件を満たしているのはどれか。
• RQ5 有効な非線形シフト Δg = g²/ωm が二光子励起経路における破壊的量子干渉の発生に与える影響は。

主な発見

• UPBは、弱い光力学的結合下でも結合光力学系で発生可能であり、最適な Δg は 10⁻⁴κ から 10⁻¹κ の範囲に集中する。これは、従来型光子ブロッキングが Δg/κ ≳ 1 を必要とするのとは対照的である。
• 純デコherenceはUPBを抑制し、Γ ≈ 0.01κ で完全な抑制が観測される。これは、Γ ≪ Δg が破壊的干渉を維持するために不可欠であることを示唆している。
• KB T ≥ ωm になると熱的効果が顕著になり、g⁽²⁾(0) が熱的に励起され、KB T > 150κ の場合に g⁽²⁾(0) > 0.1 となる。
• 光力学的結晶ナノビーム系（ωm/κ = 24, g/κ = 5×10⁻³）は、優れた候補であり、g/κ を20倍向上させ、約1 K に冷却すれば最適なUPBが達成可能である。
• 石英トロイダルマイクロレゾネータ（ωm/κ = 11, g/κ = 5×10⁻⁴）とマイクロ波結合マイクロメカニカル振動子（ωm/κ = 50, g/κ = 10⁻³）も、わずかな調整でUPBの主要要件を満たしている。
• ファブリペロ微小キャビティ（ωm/κ = 1.7, g/κ = 4×10⁻³）は、現在の κ 値でもUPBを支持可能であるが、低 ωm/κ 比率のため、慎重なシステム設計が求められる。