[논문 리뷰] Collective super- and subradiant dynamics between distant optical quantum emitters

Alexey Tiranov, Vasiliki Angelopoulou외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 05.

Photonic and Optical Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 광학 양자 발광체 간에 장거리의 복사 전기 dipole-dipole 결합을 입증하며, 이를 통해 집합적 초방사성 및 초하방성 방출을 동적으로 제어할 수 있음을 보여준다. 자성장과 자극 조건을 조절함으로써 저자들은 초방사성(증가된) 및 초하방성(감소된) 붕괴 역학을 관찰하였으며, 칩 내 광학 네트워크를 활용한 확장 가능한 양자 정보 처리를 위한 기초 플랫폼을 구축하였다.

ABSTRACT

Photon emission is the hallmark of light-matter interaction and the foundation of photonic quantum science, enabling advanced sources for quantum communication and computing. Although single-emitter radiation can be tailored by the photonic environment, the introduction of multiple emitters extends this picture. A fundamental challenge, however, is that the radiative dipole-dipole coupling rapidly decays with spatial separation, typically within a fraction of the optical wavelength. We realize distant dipole-dipole radiative coupling with pairs of solid-state optical quantum emitters embedded in a nanophotonic waveguide. We dynamically probe the collective response and identify both super- and subradiant emission as well as means to control the dynamics by proper excitation techniques. Our work constitutes a foundational step toward multiemitter applications for scalable quantum-information processing.

연구 동기 및 목표

• 서로 떨어진 광학 양자 발광체 간에 파장 이하의 한계를 초월한 장거리 복사 전기 dipole-dipole 결합을 실현하기 위해.
• 고체 상태 나노광학 플랫폼에서 집합적 방출 행동—특히 초방사성 및 초하방성—을 동적으로 탐색하고 제어하기 위해.
• 자유 공간에서 급격히 감쇠되는 dipole-dipole 결합 문제를 해결하기 위해 광학 결정 파동도를 활용하여 상호작용 범위를 연장하기 위해.
• 스펙트럼으로 조절된 자극과 자성장 조절을 통해 단일 진동자 집합 상태의 협동 제어를 수행하기 위해.
• 시간에 따른 방출 역학을 통해 협동 결합의 실험적 증거를 제시하고, 다중 발광체 양자 네트워크의 발전을 위해.

제안 방법

• 서로 다른 두 개의 자가 조립된 InGaAs 양자점(QD) 간에 장거리 복사 결합을 매개하기 위해 광학 결정 파동도(PCW)를 사용하여, 파장 이하의 한계를 초월한 상호작용을 연장하였다.
• 자기장 조절(자이만 효과)을 통해 QD 전이 주파수를 스펙트럼적으로 정렬하고, 발광체 간에 공진 조건을 달성하였다.
• 한버리 브라운 앤 투이스 장치를 사용하여 파동도 출력 단자 두 곳에서 시간에 따른 단일 광자 방출 측정을 수행하여 동역학을 탐지하였다.
• 공진 자극을 위해 스펙트럼으로 가공된 레이저 펄스를 사용하였으며, 각 QD를 독립적으로 자극하고 상대 위상 조절이 가능하도록 편광 제어를 실시하였다.
• 복사 붕괴, 스펙트럼 이동, 위상 분산, 그리고 협동 결합을 포함한 결합된 전기 dipole 마스터 방정식 기반 이론 모델을 사용하여 실험 데이터를 피팅하였다.
• 라비 진동을 통해 자극 펄스 면적을 校정하였으며, 배경 자극을 억제하기 위해 3 GHz 대역폭을 갖는 주파수 필터링 레이저를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 파동도를 사용하여 서로 떨어진 광학 발광체 간의 복사 전기 dipole-dipole 결합을 파장 이하 범위를 초월해 연장할 수 있는가?
• RQ2 고체 상태 시스템에서 초방사성 및 초하방성 집합적 방출 역학을 실험적으로 관찰하고 제어할 수 있는가?
• RQ3 자극 필드의 상대 위상과 진폭이 이중 발광체 시스템의 협동 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 위상 분산과 스펙트럼 이동은 초하방성 상태의 가시성과 수명에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 시간에 따른 방출 흔적에서 협동 결합 강도와 붕괴 속도를 정량적으로 추출할 수 있는가?

주요 결과

• 1.25 µm 떨어진 두 양자점에서 초방사성 및 초하방성 붕괴 역학을 관측하였으며, 각각 붕괴 속도는 0.61 GHz (Γ_sup) 및 0.12 GHz (Γ_sub)였다.
• 초하방성 상태는 약 10 ns의 수명을 보였으며, 위상 분산 속도는 0.03 GHz (γ_d)였는데, 이는 실험적 불완전성에도 불구하고 장수명의 위상 일관성을 유지함을 시사한다.
• 복사 결합 속도 Γ_23는 0.61 GHz로 측정되었고, 분산 결합 J_23는 0.03 GHz로 측정되어 강한 광자 매개 상호작용을 확인하였다.
• 자극 위상 θ를 -0.48π로 조절함으로써, 방출에서 협동 진동의 가시도를 향상시킨 초위상 상태로 시스템이 유도되었다.
• 표 S3의 매개변수를 사용한 마스터 방정식 모델에 의한 이론적 피팅이 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 이는 모델의 예측 능력을 검증하였다.
• 수직 편광 성분을 갖는 공진 자극을 두 QD에 동시에 가함으로써 집합 상태의 협동 제어가 가능했으며, 자극 펄스 면적은 각각 Ω₂ = 0.87(6) 및 Ω₃ = 1.33(5)로 라비 주파수 단위로 측정되었다.