[논문 리뷰] Exceptional Photon Blockade

Ran Huang, Şahin Kaya Özdemir외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 26.

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics참고 문헌 27인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 비선형 광학 공진기에서의 특이점(EPs)이 양자 상관관계에 대한 극도로 강력한 제어를 가능하게 하며, EP에서 단일 광자 차단 현상이 발생함으로써 두 번째 순서 상관관계가 최대 4개의 지수만큼 향상됨을 보여준다. 반면 EP에서 벗어나면 광자 유도 터널링이 지배적이 된다. EP 근처에서는 이중 광자 차단도 가능하며, 이는 비헤르미트 시스템에서 새로운 양자 효과를 드러낸다.

ABSTRACT

Exceptional points (EPs) are special degeneracies in non-Hermitian systems at which both eigenvalues and their corresponding eigenvectors simultaneously coalesce. Despite numerous EP-enabled novel phenomena and applications have been revealed in classical optics, purely quantum EP effects, especially peculiar features of quantum correlations at EPs, has been elusive. Here, for a nonlinear resonator, we show that EPs can lead to up to 4 orders of magnitude difference in optical second-order quantum correlations. As a result, single-photon blockade emerges when the system is at an EP while photon-induced tunneling occurs when the system is far from EPs. Moreover, two-photon blockade can also appear by tuning the system around EPs. Our findings pave the way towards devising exotic quantum EP devices and, on a more fundamental level, shed new light on the effects of non-Hermitian degeneracies on quantum fluctuations and quantum states of photons.

연구 동기 및 목표

• 비헤르미트 양자 시스템에서의 특이점(EPs)이 이국적인 양자 광학 현상을 설계하는 데 수행하는 역할을 탐구하기 위해.
• EPs가 순수 양자 영역에서 강력한 양자 상관관계, 특히 광자 차단 효과를 유도할 수 있는지 조사하기 위해.
• 비헤르미트 군집이 양자 변동성과 광자 상태의 통계적 성질에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• EP 조절 비선형 공진기를 사용하여 단일 및 이중 광자 차단을 실현할 수 있는지를 보여주기 위해.

제안 방법

• 연구는 비헤르미트 해밀토니안에 특이점(EPs)을 실현하기 위해 조절된 증폭과 손실을 갖춘 비선형 광학 공진기를 모델링한다.
• 계산된 고유값과 고유벡터를 분석적·수치적으로 계산하여 EP의 위치와 특성을 규명한다.
• 두 번째 순서 양자 상관관계 함수 g^(2)(0)를 계산하여 광자 통계를 정량화하고 차단 효과를 탐지한다.
• 비헤르미트 매개변수를 변화시키며 EP를 통과하고 EP에 위치시켜 양자 상관관계 행동을 비교한다.
• 고유값과 고유벡터의 공융이 발생하는 특이점에서의 단일 광자 차단(g^(2))(0) ≈ 0)과 광자 유도 터널링(g^(2))(0) ≈ 1) 상태 간의 전이에 초점을 맞춘다.
• EP 근처에서 이중 광자 입력 상태에 대한 시스템 반응을 분석하여 이중 광자 차단을 조사한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 공진기에서의 특이점이 양자 영역에서 강력한 단일 광자 차단 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ2 EP에서의 비헤르미트 군집이 광자 상태의 두 번째 순서 상관관계 함수 g^(2)(0)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 EP에 도달했을 때와 EP에서 멀리 떨어져 있을 때의 양자 상관관계의 성격은 어떻게 다른가?
• RQ4 비선형 공진기에서 EP 조절을 통해 이중 광자 차단을 실현할 수 있는가?
• RQ5 광자 차단 강도는 특이점에 가까워질수록 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 특이점에서 두 번째 순서 상관관계 함수 g^(2)(0)는 거의 0에 수렴하여 강력한 단일 광자 차단 현상을 나타낸다.
• EP에서 벗어난 영역에서는 g^(2)(0) ≈ 1이 되어 광자 유도 터널링이 나타나며, 이는 차단이 없음을 의미한다.
• EP 영역과 비-EP 영역 간의 g^(2)(0) 값에 최대 4개의 지수 차이가 발생하여, 양자 통계에 대한 극도로 강력한 제어를 가능하게 한다.
• EP 근처에서 시스템이 조정될 경우 이중 광자 차단이 관측되며, 이는 강화된 상관관계 효과를 나타낸다.
• EP에서의 단일 광자 차단 현상은 고유값과 고유벡터의 공융과 관련되어 있으며, 이는 비헤르미트 군집의 특징이다.
• 결과적으로, 비선형 공진기에서의 특이점은 이국적인 빛의 양자 상태를 설계하는 플랫폼이 될 수 있음을 보여준다.