[논문 리뷰] Characterizing micro-macro transitions with an atomic-vapor-based linear optical amplifier

Zhifan Zhou, Ulrich Vogl외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 24.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 40인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 뜨거운 리비듐 증기에서의 네파장 혼합을 이용하여 원자성 가스 기반 선형 광학 앰프레이터를 개발하여 미크로-마크로 전이를 특성화한다. 이는 10⁷의 광학적 이득을 달성하여 기존의 검출기로 단일 광자 수준의 입력을 광자 수 해상도로 감지할 수 있게 하며, 군속도 지연 시간이 평균 입력 광자 수 N에 대해 1/√N의 비율로 스케일링된다. 프로브 및 콈지게이트 모드는 서로 다른 스케일링 계수를 보이며, 이는 양자적에서 고전적 전이를 특성화하는 민감한 매개변수를 제공한다.

ABSTRACT

Fundamentally, the dynamics of micro-macro transitions is instrumental to understanding the process of quantum-to-classical transitions; technologically, it can also facilitate the detection of the microscopic signals in quantum experiments via convenient detectors. Here, we demonstrate a scheme to characterize micro-macro transitions based on a four-wave mixing linear optical amplification process in a hot rubidium vapor. The linear optical amplifier provides a large optical gain of $10^7$ for injected single-photon-level pulses, enabling photon-number-resolving detection by average via non-single-photon counting detectors with a large dynamic range. The scheme exhibits strong dispersion which is sensitive to the input's change at the single-photon level, resulting in the group-velocity delay time scaling with $1/\sqrt{N}$, where $N$ is the average input photon number. The output probe and conjugate modes have different coefficients of this $1/\sqrt{N}$ scaling, indicating the coefficient can serve as an efficient parameter to characterize the specified micro-macro transitions. The demonstrated results are generally applicable for quantum detection and optical signal processing in light-atom interfaces. Furthermore, the present system is suitable for the study of relevant time-resolved dynamics of the quantum-to-classical transitions.

연구 동기 및 목표

• 양자-고전역학의 미크로-마크로 전이를 실험적으로 탐색할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 기존 시스템에서 비균일한 브로드닝으로 인해 미크로 수준의 입력 변화가 해상되지 않는 한계를 극복하기 위해.
• 큰 동적 범위를 가진 단일 광자 수 센서가 아닌 검출기를 사용하여 단일 광자 수준의 신호에 대한 광자 수 해상도 감지를 가능하게 하기 위해.
• 분산 민감한 군속도 지연 시간 스케일링을 통해 미크로-마크로 전이의 시간적 역학을 특성화하기 위해.
• 다양한 미크로-마크로 전이 행동을 구분할 수 있는 확장 가능하고 정량화 가능한 매개변수—1/√N에 대한 지연 시간의 스케일링 계수—를 식별하기 위해.

제안 방법

• 뜨거운 리비듐-85 증기 내에서 이중 람다 구조를 이용한 네파장 혼합을 통해 선형 광학 앰프레이팅을 구현하기 위해.
• 선형성을 유지하고 자발적 방출 및 공명 흡수를 억제하기 위해 강력하고 소모되지 않는 펌프 빔을 사용하기 위해.
• 전자기적으로 유도된 투명도 유사 양자 간섭을 활용하여 비선형성을 향상시키고 강한 분산을 유도하기 위해.
• 평균 입력 광자 수 N에 따라 군속도 지연 시간을 측정하여 1/√N 스케일링 행동을 관찰하기 위해.
• 증폭된 출력 펄스를 측정하기 위해 단일 광자 수 센서가 아닌 검출기를 사용하여 넓은 동적 범위에서 광자 수 해상도를 달성하기 위해.
• 프로브 및 콈지게이트 출력 모드를 모두 분석하여 서로 다른 1/√N 스케일링 계수를 비교함으로써, 이는 차별적 흡수 및 분산을 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 단일 광자 수준의 입력 변화에 민감하게 반응하여 미크로-마크로 전이를 실험적으로 해상화할 수 있는가?
• RQ2 매우 분산성이 높은 원자성 매질에서 군속도 지연 시간의 평균 입력 광자 수 N에 대한 스케일링 행동은 어떠한가?
• RQ3 1/√N 지연 의존성의 스케일링 계수는 다양한 미크로-마크로 전이 경로를 특성화하는 데 있어 식별 가능한 매개변수로 기능할 수 있는가?
• RQ4 선형 광학 앰프레이터는 어떻게 기존의 단일 광자 수 센서가 아닌 검출기를 사용하여 광자 수 해상도 감지를 가능하게 하는가?
• RQ5 프로브 및 콈지게이트 빔 간의 차별적 흡수는 지연 시간 스케일링 계수를 조절하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 시스템은 단일 광자 수준의 입력 펄스에 대해 10⁷의 광학적 이득을 달성하여 표준 검출기를 통해 매크로스코픽 감지를 가능하게 한다.
• 군속도 지연 시간은 평균 입력 광자 수 ~1에서 ~800까지의 동적 범위에서 1/√N 스케일링 행동를 보이며, 이는 이론적 예측과 정량적으로 일치한다.
• 프로브 모드는 1/√N 스케일링 계수 0.729 ± 0.292 × 10⁵ GHz/√pW를 보이며, 콈지게이트 모드는 2.154 ± 0.33 × 10⁵ GHz/√pW를 보이며, 이는 서로 다른 분산 반응을 나타낸다.
• 낮은 입력 전력에서 콈지게이트 모드의 펄스 형태는 최소한의 왜곡을 보이며, 피크 진폭은 예측된 1/√N 의존성과 일치한다.
• 관측된 지연 시간 스케일링은 강인하며 넓은 동적 범위에서 측정 가능하여, 이 시스템이 시간 해상 분석이 가능한 양자역학적 동역학 연구에 적합함을 확인한다.
• 프로브 및 콈지게이트 빔 간의 차별적 스케일링 계수는 특정한 미크로-마크로 전이 과정를 특성화하는 데 민감하고 정량화 가능한 매개변수를 제공한다.