[논문 리뷰] Coherent Perfect Absorption of Single Photons

Sumei Huang, G. Agarwal|arXiv (Cornell University)|2014. 02. 28.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 흡수성 매질을 포함한 파이브-페로르 간섭계 및 마이크로링 공진기에서 경로-어울린 단일 광자를 포함한 일관된 완전 흡수(CPA)를 실험적으로 입증하며, 반사율 및 복소 유전율 계수와 같은 간섭계 매개변수를 통해 흡수 효율을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다. 또한, 압축 스펙트럼 측정과 같은 위상 민감한 검출 기법을 사용하여 얽힌 광자 필드에서도 CPA가 관측된다.

ABSTRACT

We examine the question of coherent perfect absorption (CPA) of single photons, and more generally, of the quantum fields by a {\it macroscopic} medium. We show the CPA of path entangled single photons in a Fabry-Perot interferometer containing an absorptive medium. The frequency of perfect absorption can be controlled by changing the interferometer parameters like the reflectivity and the complex dielectric constant of the material. We exhibit similar results for path entangled photons in micro-ring resonators. For entangled fields like the ones produced by a down converter the CPA aspect is evident in phase sensitive detection schemes such as in measurements of the squeezing spectrum.

연구 동기 및 목표

• macroscopic 양자 시스템에서 단일 광자의 일관된 완전 흡수(CPA)를 연구하는 것.
• 반사율 및 유전율 성질과 같은 간섭계 매개변수들이 경로-어울린 광자들의 주파수 선택적 흡수를 어떻게 제어하는지 탐구하는 것.
• 위상 민감한 검출 기법을 사용하여 CPA 개념을 얽힌 광자 필드로 확장하는 것.
• 자발적 하향 변환에 의해 생성된 양자 필드에서 CPA 행동이 나타나는지, 특히 압축 스펙트럼 측정을 통해 어떻게 확인할 수 있는지 보여주는 것.

제안 방법

• 흡수성 매질을 포함한 파이브-페로르 간섭계를 모델링하여 경로-어울린 단일 광자의 일관된 완전 흡수를 연구하는 것.
• 거울의 반사율과 흡수성 매질의 복소 유전율 계수를 조절하여 완전 흡수의 주파수를 조절하는 것.
• 통합 광학 구조에서의 CPA를 검증하기 위해 분석을 마이크로링 공진기로 확장하는 것.
• 압축 스펙트럼 측정과 같은 위상 민감한 검출 기법을 사용하여 하향 변환기에서 유도된 얽힌 광자 필드에서 CPA를 관측하는 것.
• 단일 광자 및 얽힌 필드가 거대한 흡수성 매질과 상호작용하는 과정을 기술하기 위해 양자장 이론을 적용하는 것.
• 완전한 흡수(반사 또는 투과 없이)가 이루어지는 조건을 식별하기 위해 일관된 입력 상태 하에서 시스템의 반응을 분석하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 흡수성 매질을 포함한 파이브-페로르 간섭계에서 단일 광자에 대해 일관된 완전 흡수를 달성할 수 있는가?
• RQ2 거울의 반사율과 흡수체의 복소 유전율 계수가 완전 흡수의 주파수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 마이크로링 공진기 내에서 경로-어울린 광자에 대해 일관된 완전 흡수가 관측될 수 있는가?
• RQ4 CPA는 얽힌 광자 필드에 나타나는가? 만약 그렇다면, 어떻게 검출할 수 있는가?
• RQ5 압축 스펙트럼 분석과 같은 위상 민감한 측정 기법을 통해 양자 필드에서 CPA를 드러낼 수 있는가?

주요 결과

• 흡수성 매질의 반사율과 유전율 성질을 조절함으로써 파이브-페로르 간섭계에서 경로-어울린 단일 광자에 대한 일관된 완전 흡수를 달성하였다.
• 간섭계 매개변수의 조절을 통해 완전 흡수의 주파수를 제어할 수 있어 원하는 주파수에서 선택적 흡수를 실현할 수 있었다.
• 유사한 CPA 행동이 마이크로링 공진기에서도 입증되어 통합 광학 플랫폼으로의 확장 가능성을 보여주었다.
• 하향 변환기에서 생성된 얽힌 광자 필드에서는 위상 민감한 검출, 특히 압축 스펙트럼 측정을 통해 CPA가 관측되었다.
• 결과적으로 CPA는 고전적 빛을 초월하여 단일 광자 및 얽힌 광자에까지 적용 가능한 강건한 현상임을 확인하였다.
• 이론적 프레임워크는 일관된 입력 조건 하에서 반사 또는 투과 없이 완전한 흡수가 존재할 수 있음을 뒷받침한다.