[논문 리뷰] Entangling extreme ultraviolet photons through strong field pair generation

Jamison Sloan, Alexey Gorlach외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 28.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 필드 쌍 생성(Strong Field Pair Generation, SFPG)을 제안한다. SFPG는 강한 적외선 레이저 필드에 의해 희귀 기체가 전자 재결합 과정에서 양자 진공 변동을 통해 얽힌 극단자외선(XUV) 광자 쌍을 방출하는 비섭동적 비선형 광학 과정이다. 이 방법은 넓은 XUV 대역폭에서 한 번의 슈팅에 수천 개의 얽힌 쌍을 생성하며, 배경 고조파 생성(HHG)과는 공간적·스펙트럼적으로 구별되는 방출을 가능하게 하여 배경 감쇄 4–5개 주기의 효과를 달성하고, 애토세컨드 홍-오우-마날레 상관관계를 실현한다.

ABSTRACT

Entangled photon pairs are a vital resource for quantum information, computation, and metrology. Although these states are routinely generated at optical frequencies, sources of quantum of light are notably lacking at extreme ultraviolet (XUV) and soft X-ray frequencies. Here, we show that strongly driven systems used for high harmonic generation (HHG) can become versatile sources of entangled photon pairs at these high frequencies. We present a general theory of photon pair emission from non-perturbatively driven systems, which we refer to as "strong field pair generation" (SFPG). We show that strongly driven noble gases can generate thousands of entangled pairs per shot over a large XUV bandwidth. The emitted pairs have distinctive properties in angle and frequency, which can be exploited to discriminate them from the background HHG signal. We connect SFPG theory to the three-step-model of HHG, showing that this pair emission originates from the impact of high frequency vacuum fluctuations on electron recombination. The light produced by SFPG exhibits attosecond Hong-Ou-Mandel correlations, and can be leveraged as a source of heralded single photon attosecond pulses. Our findings aid ongoing efforts to propel quantum optics into the XUV and beyond.

연구 동기 및 목표

• 현재 희소한 극단자외선(XUV) 및 연조화선 영역에서의 작고 비섭동적인 엔트angled 광자 원천을 개발하는 것.
• 특히 생물 영상에 핵심적인 역할을 하는 XUV 및 '물 창문' 영역에서의 양자 빛 원천의 부족을 해결하는 것.
• 기존의 고조파 생성(HHG) 플랫폼을 활용하여 사전에 고주파 원천이 필요 없이 엔트angled 쌍을 생성하는 것.
• XUV 엔트angled 광자 쌍을 통해 양자 미측정, 영상 촬영 및 애토세컨드 과학 분야의 새로운 응용을 가능하게 하는 것.
• SFPG의 이론적 프레임워크를 수립하여 HHG의 세 단계 모델과 양자 진공 효과를 연결하는 것.

제안 방법

• 강한 외부 필드에 의해 영향을 받는 시스템에서의 비섭동적 광자 쌍 방출을 일반화한 양자장 이론을 개발하며, 이를 강한 필드 쌍 생성(SFPG)이라 칭한다.
• 이 과정을 q개의 펌프 광자(주파수 ω₀)가 주파수 ω와 ω′에서 엔트angled 광자 쌍으로 변환되는 것으로 모델링하며, ω + ω′ = qω₀를 만족한다.
• 강한 적외선 레이저에 의해 구동되는 희귀 기체에 이 те올리를 적용하여, 강한장 조건에서의 전자 재결합이 진공 변동을 통해 XUV 쌍 방출을 유도함을 보여준다.
• HHG의 세 단계 모델을 사용하여 SFPG의 기원을 재결합 단계에서 찾으며, 여기서 진공 변동이 관련된 전자 동역학을 유도한다.
• SFPG 쌍은 넓은 각도의 콘 형태로 방출되며(수십에서 수백 mrad), 좁고 정면을 향한 HHG 신호와 공간적으로 분리됨을 예측한다.
• SFPG가 비조화 주파수를 생성할 수 있으며, 일반적인 HHG에서 볼 수 없는 짝수 및 홀수 조화쌍을 포함하여 스펙트럼 구별이 가능하다는 것을 입증한다.

Figure 1: Concept of strong field pair generation (SFPG). (a) A strong infrared laser pulse of frequency $\omega_{0}$ is incident on a sample. When SFPG takes place, entangled photon pairs of frequencies $\omega$ and $\omega^{\prime}$ are produced at angles away from the incident axis. (b) Feynman d

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 고주파 원천이 없이도 강한 필드 구동만으로 극단자외선(XUV) 영역에서 엔트angled 광자 쌍을 생성할 수 있는가?
• RQ2 강한 필드 쌍 생성(SFPG)은 전통적인 고조파 생성(HHG)과 비교해 어떤가? 특히 방출의 각도 및 스펙트럼 패턴 측면에서 어떻게 다를 수 있는가?
• RQ3 SFPG의 양자적 기원은 무엇이며, 세 단계 모델에서 전자 재결합 중 진공 변동과 어떻게 연결되는가?
• RQ4 SFPG는 HHG에 비해 상당한 배경 감쇄를 달성할 수 있는가? 이를 통해 엔트angled 쌍의 실험적 탐지가 가능해지는가?
• RQ5 SFPG는 화성화된 단일 광자 애토세컨드 펄스 생성 및 광학 영역과 XUV 영역 간의 양자 인터페이스 구축에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 필드 쌍 생성(SFPG)은 희귀 기체 표적을 사용하여 한 번의 레이저 슈팅에 최대 수천 개의 엔트angled 광자 쌍을 극단자외선(XUV) 영역에서 생성한다.
• SFPG 쌍은 넓은 각도의 콘 형태로 방출되며(수십에서 수백 mrad), 좁고 정면을 향한 HHG 배경과 공간적으로 분리된다.
• 최적의 매칭을 통해 SFPG는 배경 HHG를 최대 4–5개 주기 감쇄시켜 깔끔한 엔트angled 쌍 탐지가 가능하다.
• SFPG는 표준 HHG에 존재하지 않는 비대칭 쌍(비조화 주파수 포함)을 생성할 수 있으며, 짝수 및 홀수 조화쌍 모두를 포함한다.
• 방출된 XUV 광자는 애토세컨드 홍-오우-마날레 상관관계를 보이며, 이는 그들의 양자적 성격을 확인하고 화성화된 단일 광자 애토세컨드 펄스로 활용할 수 있음을 시사한다.
• 이론은 SFPG를 HHG의 세 단계 모델과 연결하며, 전자 재결합 중 진공 변동이 엔트angled 광자 쌍 방출의 양자적 기원임을 규명한다.

Figure 2: Strong field pair generation from single atoms. (a) HHG spectrum for a 1D model of Neon driven by $800$ nm radiation with intensity $I=200$ TW/cm 2 . The system exhibits a plateau over many harmonics, before reaching a cutoff at $q_{c}\approx 39$ . (b) Differential emission probability of