[논문 리뷰] Controlling nonlinear photon-photon interaction via a two-level system

Zhiyuan Dong, Guofeng Zhang|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 11.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 68인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 이중준위체를 사용하여 광자-광자 상호작용을 제어하는 두 가지 메커니즘을 제안한다: (1) 단일 채널에서 초기에 상관관계가 없는 두 광자를 펄스 프로파일을 형상화하는 것, 그리고 (2) 별도의 입력 채널에서 반대 방향으로 진행하는 광자를 얽힘 상태로 만드는 것. 핵심 결과는 입력 펄스가 동일할 경우 관측 가능한 홍-오우-마운드 유사 두 광자 간섭을 보이는 비선형 광자-광자 상호작용의 구현이다.

ABSTRACT

The problem of photon-photon interaction controlled by a two-level system is studied in this paper. Specifically, we have proposed two scenarios: Case 1, how a two-level system changes the pulse shapes of two initially uncorrelated input photons in a single input channel; and Case 2, how a two-level system entangles two counter-propagating photons, one in each input channel. The steady-state output field states for both cases are derived explicitly. For Case 1, the Wigner spectrum is used to exhibit the interesting properties of the output field state. For Case 2, the nonlinear property of the interaction between the two-level system and the two input photons has been revealed by the probabilities of observing photons in the output channels. In addition, two-photon interference, similar to Hong-Ou-Mandel effect, occurs when the two input photons are chosen with the same pulse shape.

연구 동기 및 목표

• 이중준위체가 캐비티 또는 웨이브가이드 시스템 내에서 광자 간 비선형 상호작용을 어떻게 매개하는지 조사하기.
• 두 개별적으로 상관관계가 없는 광자가 단일 채널에 들어올 때, 이중준위체에 의해 결합됨으로써 입력 광자 펄스 형상이 어떻게 변하는지 분석하기.
• 공유된 이중준위체를 통해 별도의 입력 채널에서 주입된 두 반대 방향으로 진행하는 광자 간 얽힘 생성을 탐색하기.
• Wigner 스펙트로그램과 출력 확률 분포를 사용하여 다중광자 입력에 대한 이중준위체의 비선형 반응을 특성화하기.
• 두 광자 간섭이 홍-오우-마운드 효과와 유사하게 나타나는 조건을 규명하기.

제안 방법

• 이중준위체가 선형 웨이브가이드 또는 캐비티 내 광모드에 결합하는 캐비티-양자전기역학(QED) 또는 웨이브가이드-QED 아키텍처를 사용하여 시스템을 모델링하기.
• 단일 채널 및 이중 채널 입력 구성 모두에 대해 안정 상태 출력 필드 상태를 해석적으로 유도하기.
• 사례 1에서 출력 필드의 비고전적 특성을 시각화하고 분석하기 위해 Wigner 가짜확률분포를 활용하기.
• 사례 2에서 두 광자 탐지의 출력 채널 확률을 계산하여 광자-광자 상호작용의 비선형 성격을 드러내기.
• 두 입력 광자가 동일한 펄스 형상일 경우 간섭 효과를 관찰하기 위해 시스템을 시뮬레이션하기.
• 결합된 광자와 이중준위체의 시스템의 산란 행렬과 유니타리 진화를 기술하기 위해 양자광학 형식을 사용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중준위체는 단일 광학 채널에 주입된 두 상관관계가 없는 광자의 시간적 프로파일을 어떻게 수정하는가?
• RQ2 이중준위체는 별도의 입력 채널에서 주입된 두 반대 방향으로 진행하는 광자 간 얽힘을 생성할 수 있는가?
• RQ3 이중준위체에 의해 매개되는 효과적 광자-광자 상호작용의 성격은 무엇이며, 선형 산산과 어떻게 다를까?
• RQ4 이 시스템에서 홍-오우-마운드 효과와 유사한 두 광자 간섭이 발생하는 조건은 무엇인가?
• RQ5 단일 입력 시나리오에서 출력 필드의 Wigner 스펙트럼은 시스템의 비선형 역학을 어떻게 반영하는가?

주요 결과

• Wigner 스펙트럼에 의해 드러난 linely, 단일 채널 시나리오에서 이중준위체는 입력 광자 펄스의 형상에 상당한 재형성 효과를 유도하며, 강한 비선형 역학을 나타낸다.
• 이중채널 구성에서 이중준위체는 반대 방향으로 진행하는 광자 간 얽힘을 생성하며, 비트리비얼한 출력 확률 분포에 의해 확인된다.
• 입력 광자의 상대 위상과 형상에 대한 출력 확률 의존성에 의해 비선형 광자-광자 상호작용이 입증된다.
• 두 입력 광자가 동일한 펄스 형상을 가질 경우, 홍-오우-마운드 효과와 유사한 간섭도 관측된다.
• 안정 상태 출력 필드 상태가 명시적으로 유도되어 시스템 반응의 완전한 해석적 기술이 가능해진다.
• 직접적인 광자-광자 결합 없이도 광자 뭉치 현상과 양자 상관관계와 같은 비고전적 특성이 시스템에 나타난다.