[논문 리뷰] Entanglement and non-classical states of light in a strong-laser driven solid-state system

Javier Rivera-Dean, Philipp Stammer외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 31.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 레이저에 의해 구동되는 고체계에서 비고전적 빛과 전자-장 얽힘을 생성하는 것을 보여주며, 확산 전자 재결합을 이용한 고조파 발생(HHG)을 활용한다. 주요 기여는 고체 내의 밴드 간 및 밴드 내 동역학이 조건화 없이 전자와 빛 사이의 얽힘을 자연스럽게 유도한다는 점으로, 이는 조밀하고 고체 상태 기반의 양자 빛 소스를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The development of sources delivering non-classical states of light is one of the main needs for applications of optical quantum information science. Here, we demonstrate the generation of non-classical states of light using strong-laser fields driving a solid-state system, by using the process of high-order harmonic generation, where an electron tunnels out of the parent site and, later on, recombines on it emitting high-order harmonic radiation, at the expense of affecting the driving laser field. Since in solid-state systems the recombination of the electron can be delocalized along the material, the final state of the electron determines how the electromagnetic field gets affected because of the laser-matter interaction, leading to the generation of entanglement between the electron and the field. These features can be enhanced by applying conditioning operations, i.e., quantum operations based on the measurement of high-harmonic radiation. We study non-classical features present in the final quantum optical state, and characterize the amount of entanglement between the light and the electrons in the solid. The work sets the foundation for the development of compact solid-state-based non-classical light sources using strong-field physics.

연구 동기 및 목표

• 강한장 레이저 자극을 이용한 고체계에서의 비고전적 빛 상태 생성을 탐구하기.
• 고체 내 전자 확산 및 재결합 동역학이 전자와 전자기장 사이의 얽힘으로 이르는 방식을 조사하기.
• 원자계 HHG 시스템에서의 양자광학 프레임워크를 고체계 HHG 시스템으로 확장하여 비고전성의 내재된 원인을 규명하기.
• 밴드 내 및 밴드 간 전이가 양자광학 상태의 형상과 얽힘의 가능성을 결정짓는 역할을 하는 방식 분석하기.
• 강한장 물리학을 활용한 조밀하고 고체 기반의 비고전적 빛 소스를 위한 기초 마련하기.

제안 방법

• 전자 동역학을 기술하기 위해 와이너 상태를 사용하는 다체 양자 프레임워크를 이용해 고체계 시스템을 모델링하기.
• 최종 전자-장 시스템의 양자 상태를 유도하기 위해 시간에 의존하는 1차 순서 섭동 이론 적용하기.
• 현위치 재결합과 이격 재결합을 구분하며, 이격 재결합이 얽힘을 유도함을 밝히기.
• 광학장과 전자 상태의 레이저 구동 진화를 기술하기 위해 이동 연산자 $\hat{\mathcal{D}}$ 사용하기.
• 다양한 격자 위치에서 전자가 재결합할 조건부로 진공 상태와 단일 광자 상태의 초위상으로 구성된 최종 상태 유도하기.
• 외부 조건화 조작 없이도 조화 복사 측정을 프로브로 사용하여 양자 상태 분석하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 레이저에 의해 구동되는 고체계에서 고조파 발생을 통해 비고전적 빛 상태를 생성할 수 있는가?
• RQ2 전자 확산이 결정 격자 전역에서 전자와 방출된 빛 사이의 얽힘에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 밴드 내 및 밴드 간 전이가 빛 필드 내 양자 상관관계를 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 측정 기반 조건화 없이도 고체에서 전자와 빛 사이의 얽힘이 자연스럽게 발생할 수 있는가?
• RQ5 고체계 HHG 시스템이 비고전적 빛의 조밀하고 확장 가능한 소스로서 얼마나 유용한가?

주요 결과

• 외부 조건화 없이도 강한 레이저에 의해 구동되는 고체계에서 비고전적 빛 상태가 생성된다.
• 이격 재결합—전자 초기 위치와 다른 격자 위치에서 재결합하는 과정—이 전자와 전자기장 사이의 얽힘을 유도한다.
• 퍼투베이티브 상태 진화에 의해 기술된 다양한 와이너 위치에서의 전자 재결합 초위상으로 인해 최종 양자 상태가 얽힘을 나타낸다.
• 특히 밴드 간 및 밴드 내 전이가 포함된 다체 양자 역학적 동역학이 측정 가능한 양자 상관관계를 갖는 비고전적 광학 상태로 이끈다.
• 이론적 분석은 얽힘이 확산 재결합 과정에서 내재적으로 발생함을 보여주며, 이는 강건하고 잠재적으로 확장 가능한 특성을 지닌다.
• 결과적으로 강한장 물리학과 HHG를 활용한 조밀하고 고체 기반의 비고전적 빛 소스 개발을 위한 길을 열어 놓는다.