[논문 리뷰] Entangling one polariton with a photon: effect of interactions on a single-polariton quantum state

Álvaro Cuevas, Blanca Silva외 17명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 05.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 51인용 수 29

한 줄 요약

이 연구는 두 광자 양자 얽힘 쌍에서 한 광자를 마이크로캐비티 엑시톤-폴라리톤과 교환함으로써 진정으로 양자적인 단일 폴라리톤 상태의 첫 실험적 실현을 보여주며, 이 과정에서 폴라리톤-폴라리톤 상호작용이 결과 상태의 양자적 성질을 어떻게 수정하는지 밝혀냈다. 주요 결과는 단일 광자와 단일 폴라리톤 간의 비고전적 얽힘을 초초완전 양자 상태 단층촬영을 통해 확인한 것으로, 폴라리톤 기반 양자 정보 처리로 향하는 중요한 단계를 마련했다.

ABSTRACT

Polaritons are quasi-particles originating from the coupling of light with matter that demonstrated quantum phenomena at the many-particle mesoscopic level, such as BEC and superfluidity. A highly sought and long-time missing feature of polaritons is a genuine quantum manifestation of their dynamics at the single-particle level. Although they are conceptually perceived as entangled states and theoretical proposals abound for an explicit manifestation of their single-particle properties, so far their behaviour has remained fully accountable for by classical and mean-field theories. In this Article, we report the first experimental demonstration of a genuinely-quantum manifestation of microcavity polaritons, by swapping, in a two-photon entangled state generated by parametric down-conversion, a photon for a polariton. Furthermore, we show how single polaritons are affected by polariton-polariton interactions in a propaedeutic demonstration of their qualities for quantum information applications.

연구 동기 및 목표

• 단일 폴라리톤 역학의 진정으로 양자적인 표현을 실험적으로 보여주어, 폴라리톤 시스템에서 오랫동안 지배해 온 고전적 및 평균장 기술의 우세를 극복하는 것.
• 단일 폴라리톤이 광자와 얽힌 비볼록적, 비가우시안 양자 상태를 실험적으로 실현하고 특성화하여, 완전한 양자 정보 처리 능력을 가능하게 하는 것.
• 마이크로캐비티 시스템에서 폴라리톤-폴라리톤 상호작용이 단일 폴라리톤 상태의 양자 코herence와 얽힘 허용도에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 미래의 양자 기술을 위한 확장 가능하고 강하게 상호작용하는 양자 입자로서 마이크로캐비티 폴라리톤의 실현 가능성 검증.

제안 방법

• Sagnac 간섭계를 통해 자발적 비선형 다운컨버전을 이용해 두 광자 얽힘 상태를 생성하고, 그 중 한 광자(아이디얼 광자)를 폴라리톤 소스로 유도한다.
• 20 K에서 GaAs/AlGaAs 양자우물에서 강한 빛-물질 결합을 통해 아이디얼 광자를 마이크로캐비티 엑시톤-폴라리톤과 교환함으로써 하이브리드 광자-폴라리톤 얽힘 상태를 생성한다.
• 수평/수직, 대각선, 원형 편광의 세 가지 측정 기저를 사용한 초초완전 양자 상태 단층촬영을 수행하며, 순차적인 웨이브플레이트 및 편광 비스플리터 투영을 실시한다.
• 단일 모드 섬유 결합 압전 광다이오드 검출기를 통해 신호 광자와 아이디얼 광자의 동시성 측정을 기록하여 얽힘 상태의 밀도 행렬을 재구성한다.
• 비선형 측정에서 사용된 연속파 레이저의 고전적 배경은 비동기적 단층촬영을 통해 제거되며, 펌핑 전력, 광자 에너지, 폴라리톤 수명(2 ps), 그리고 점 크기를 사용해 校정된다.
• 최대 전력에서 폴라리톤 밀도는 1초당 230개로, 706 μm² 영역에서 약 3.25 × 10¹¹ cm⁻²의 밀도를 기록한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 폴라리톤을 진정으로 양자적인 상태로 준비할 수 있으며, 이 상태가 광자와 비고전적 상관관계를 보일 수 있는가?
• RQ2 폴라리톤-폴라리톤 상호작용은 단일 폴라리톤 상태의 양자 코herence와 얽힘 허용도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 광자와의 얽힘 스위칭을 통해 단일 폴라리톤의 양자적 성질을 실험적으로 검증할 수 있는가?
• RQ4 고전적 배경과 비탄성 붕괴 메커니즘이 실제 장치에서 비고전적 폴라리톤 상태의 관측을 어느 정도 제한하는가?

주요 결과

• 실험은 단일 광자와 단일 마이크로캐비티 엑시톤-폴라리톤 간의 얽힘을 성공적으로 구현하여, 고전적 또는 평균장 기술을 초월한 진정으로 양자적인 상태임을 확인했다.
• 초초완전 양자 상태 단층촬영을 통해 목표 벨 유사 상태와의 허용도가 0.92 ± 0.03로 나타나, 얽힘 광자-폴라리톤 상태의 고정밀도 준비를 확인했다.
• 폴라리톤-폴라리톤 상호작용이 양자 상태를 수정하며, 다양한 펌핑 전력 조건에서 얽힘 구조에 측정 가능한 이동이 관찰되어, 단일 폴라리톤 수준에서 비정상적인 다체 효과가 존재함을 시사했다.
• 연속파 레이저에서 유래한 고전적 배경은 비동기적 단층촬영을 통해 성공적으로 제거되어, 비고전적 상관관계의 명확한 관측이 가능했다.
• 달성된 최대 폴라리톤 밀도는 약 3.25 × 10¹¹ cm⁻²였으며, 측정된 폴라리톤 수명은 2 ps로 이론 모델과 일치했다.
• 이 연구는 마이크로캐비티 폴라리톤이 양자 정보 처리에 적합한 강력하고 강한 상호작용을 보이는 양자 입자로 기능할 수 있음을 확인했으며, 이는 이전의 고전적 행동에 대한 제약를 극복한 것이다.