[논문 리뷰] Experimental analysis of energy transfers between a quantum emitter and light fields

Ilse Maillette de Buy Wenniger, S. E. Thomas외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 02.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 반도체 마이크로캐비티에 봉인된 반도체 양자점에서 광장과의 상호작용을 통해 양자 발광체와 광장 간의 유니타리 에너지 및 상관 에너지 이행을 실험적으로 측정한다. 자가 동기 측정을 통해 자발적 방출 중에 유니타리 에너지 이행은 총 에너지의 약 50%로 제한되며, 위상 분산에 따라 감소함을 관찰하였고, 고전적 필드와의 간섭을 통해 에너지 교환의 양자 순수도 의존성을 입증하였다.

ABSTRACT

Energy transfer between quantum systems can either be achieved through an effective unitary interaction or through the generation of entanglement. This observation defines two types of energy exchange: unitary and correlation energy. Here we propose and implement experimental protocols to access these energy transfers in interactions between a quantum emitter and light fields. Upon spontaneous emission, we measure the unitary energy transfer from the emitter to the optical field and show that it never exceeds half of the total energy and is reduced when introducing decoherence. We then study the interference of the emitted field and a laser field at a beam splitter and show that the energy transfers quantitatively depend on the quantum purity of the emitted field.

연구 동기 및 목표

• 양자 에너지 이행 과정에서 유니타리 에너지와 상관 에너지의 구분을 실험적으로 탐구하는 것.
• 양자 발광체에서 광학적 필드로의 자발적 방출 중 유니타리 에너지 비율을 측정하는 것.
• 폐쇄된 양자 시스템에서 양자 간섭과 순수도가 에너지 교환에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 에너지 이행 효율이 방출된 필드의 양자적 성격에 따라 달라지는지 실험적으로 입증하는 것.
• 자발적 방출에서 최대 50%의 유니타리 에너지 이행 한계에 대한 이론 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 조절 가능한 양자 발광체로 사용 가능한 InGaAs/GaAs 양자점이 내장된 광학 마이크로캐비티의 사용.
• 자기 간섭을 통한 유니타리 에너지 비율 측정을 위해 방출된 광자와 그 지연 복사본 간의 간섭을 이용한 자가 동기 간섭계 구현.
• 동일한 레이저 원천에서 유도된 고전적 필드와 자발적으로 방출된 광학 필드를 비스듬이 간섭시켜 빛을 분리하는 비스듬이 분할기의 활용.
• 두 간섭 구성에서의 출력 강도를 기록하기 위해 초도체 나노와이어 단광자 탐지기(SNSPDs)의 사용.
• 온도 조절을 통한 양자 발광체 간섭성 제어를 통해 위상 분산이 에너지 이행에 미치는 영향을 연구.
• 이阶 상관 함수와 불가분성 지표를 이용한 광학 상태 순수도의 정량적 분석.

Figure 1: Measuring energetic transfers. (a) Sketch of the first scenario studied: energetic transfers in spontaneous emission, from a quantum emitter “q” to the vacuum of the electromagnetic field “f”. (b) The second scenario studied: energetic transfers from the spontaneously emitted field to a cl

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자발적 방출 중 전달된 총 에너지 중 유니타리 에너지 비율은 얼마이며, 이론적 50% 한계에 도달하는가?
• RQ2 발광체 온도를 높여 유도된 환경적 위상 분산이 유니타리 에너지 이행 비율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 방출된 광학 필드의 양자 순수도가 고전적 필드와의 에너지 교환에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 양자 필드와 고전적 필드 간의 간섭이 상관 에너지 성분을 정량적으로 드러낼 수 있는가?
• RQ5 일阶 및 이阶 필드 상관관계는 유니타리 및 상관 성분으로의 에너지 분할과 어떻게 관련되는가?

주요 결과

• 실험적으로 측정된 자발적 방출 중 유니타리 에너지 이행은 총 에너지의 최대 약 50%에 도달하며, 이는 이론 예측과 일치한다.
• 발광체 온도를 높임에 따라 유니타리 에너지 비율이 감소하여 위상 분산과 에너지 이행의 간섭성 상실 간의 직접적 연관성을 입증한다.
• 고전적 필드와의 간섭에서 에너지 이행 효율은 제2계 상관 측정을 통해 확인된 바와 같이 방출된 광학 필드의 양자 순수도에 정량적으로 의존한다.
• 위상 분산 조건에서 유니타리 에너지 이행 감소는 제2계 강도 상관 증가와 상관관계를 보이며, 단일 광자 성격의 손실을 나타낸다.
• 방출된 필드의 불가분성과 수량 순수도 측정치는 에너지 분할과 강한 상관관계를 보이며, 이론적 프레임워크의 타당성을 입증한다.
• 실험적 설정은 폐쇄된 이원자 양자 시스템에서 유니타리 및 상관 에너지 성분을 성공적으로 분리하고 정량화하였다.

Figure 2: Energy transfer during spontaneous emission. (a) Total energy transferred from the qubit “q” to the vacuum of the electromagnetic field “f” $\Delta\mathcal{E}_{\mathrm{q,f}}$ (diamonds), unitary energy $E^{\mathrm{q,f}}_{\mathrm{unit}}$ (open circles) and correlation energy $E^{\mathrm{q,f