[論文レビュー] Waveguide quantum electrodynamics: collective radiance and photon-photon correlations

A. S. Sheremet, Mihail Petrov+3 more|Figshare|Mar 11, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、ガイド光子と結合する一次元配列の量子発光体からなる波ガイド量子電磁力学（WQED）について、理論的・実験的レビューを包括的に行っている。主に集団的光-物質相互作用に焦点を当て、設計された発光体の配置が超放射状態や準放射状態、束縛光子モード、強い光子-光子相関をもたらす仕組みを詳述している。主な進展は、原子系、超伝導系、固体系のプラットフォームで実証されている。

ABSTRACT

This review describes the emerging field of waveguide quantum electrodynamics (WQED) concerned with the interaction of photons propagating in a waveguide with localized quantum emitters. The collective emitter-photon interactions can lead to both enhanced and suppressed coupling compared to the case of independent emitters. Here, we focus on guided photons and ordered arrays, leading to super- and sub-radiant states, bound photon states and quantum correlations with promising quantum information applications. We highlight recent groundbreaking experiments performed with different quantum platforms, including cold atoms, superconducting qubits, semiconductor quantum dots, quantum solid-state defects, and we provide a comprehensive introduction to theoretical techniques to study the interactions and dynamics of these emitters and the photons in the waveguide.

研究の動機と目的

• 波ガイド量子電磁力学（WQED）における最近の理論的・実験的進展を統合し、集団的発光体-光子相互作用に重点を置く。
• 一次元配列の量子発光体が超放射および準放射を通じて光-物質結合を強化または抑制するメカニズムを説明する。
• 一次元系における光子-光子相関、束縛状態、量子相関を理解するための統一的理論枠組みを提供する。
• 冷却原子、超伝導キュービット、量子ドットといった最先端の実験的プラットフォームを比較し、調整可能な光子束縛、反束縛、量子メモリの実証を示す。
• 入力-出力形式、Betheアンザッツ、関数的積分法を含む、光-物質相互作用をモデル化する包括的な理論ツールキットを提供する。

提案手法

• 波ガイドモードと局所化された発光体を有する開放量子系をモデル化するために、入力-出力形式（付録A）を用いる。
• 周期的配列における反射・透過係数を計算するために、伝達行列法（付録B）を適用する。
• 多数体光子-発光体散乱問題を解くために、Betheアンザッツ（付録D）および関数的積分法（付録E）を用いる。
• 二光子散乱過程に対して、電子（付録F）および励起子（付録G）表現におけるグリーン関数技術を用いる。
• 無限大配列における長距離電気双極子-双極子相互作用を評価するために、Ewald和（式201）およびFloquet和（参考文献[29]）を適用する。
• 有効ハミルトニアンと感受率（式199）を導出し、集団的結合および再正規化された発光体応答を記述する。

Figure 1: Schematic illustration of light-matter interaction in various atomic ensembles. (a) Light beam propagation and scattering in a disordered dilute atomic array in free space. (b) Interaction of an ordered atomic array with the guided photon mode. Subradiant and bright collective array excita

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波ガイドに結合する一次元配列の発光体において、超放射や準放射といった集団的効果はどのように生じるか？
• RQ2 波ガイドQED系において、強い光子-光子相関および束縛状態を生じさせるメカニズムは何か？
• RQ3 キラル結合およびスピン-運動量ロックが、方向性のある光子放出および非可逆的光-物質相互作用をどのようにもたらすか？
• RQ4 波ガイド配列における超強結合およびトポロジカル光子モードの理論的・実験的兆候は何か？
• RQ5 Betheアンザッツや関数的積分法といった理論的手法は、波ガイドQEDにおける多体系ダイナミクスを記述するためにどのように応用可能か？

主な発見

• 超放射および準放射は、波ガイド結合原子配列で実験的に観測されており、準放射状態は長寿命量子メモリの実現に寄与している（第IV.4節）。
• 原子配列では、調整可能な光子束縛および反束縛が実証され、オンデマンドの単一光子およびエンタングルド光子生成が可能になった（第IV.1節）。
• 理論的モデルは、波ガイドが媒介する有効的な引力的相互作用により束縛光子状態が形成されることを示しており、エネルギー分裂は配列の幾何学的配置に依存する。
• 無限大配列における集団的結合の格子和は収束が遅いが、EwaldおよびFloquet和の技法（式201–207）により感受率および反射係数に対して有限で正確な結果が得られる。
• 有効相互作用定数（式199）には近接場（S/2 ≈ 4.515/a³）および中間場（S′ ≈ −3.90/a）の寄与が含まれ、発散は正則化によってキャンセルされる。
• a < λ である配列に対して、反射係数 r = 2πiω/(ca²)·α̃ および透過係数 t = 1 + r が導出され、発光体間隔および結合強度に強く依存することが示された。

Figure 2: (a) Comparison of waveguide coupling efficiency $\beta$ and number of emitters $N$ for different platforms of waveguide quantum electrodynamics. (b–e) schematic illustrations of different platforms reproduced from Refs.: (b) [ 204 ] ,(c) [ 83 ] ,(d) [ 285 ] , (e) [ 56 ] , (f) [ 93 ] , (g)