[논문 리뷰] Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters

Mi Lei, Rikuto Fukumori외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 08.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고공동성도 나노광학 캐비티 내에서 강하게 구동되는 고체 상태 발광체의 비균일한 군집을 조사하며, 양자 간섭으로 인해 발생하는 날카럽고 좁은 집단적 유도 투명성(CIT) 창문을 실험적으로 입증한다. 이 CIT는 비선형 광학적 반응, 즉 초방사성과 초저방사성을 가능하게 하여, 느린 빛, 주파수 기준, 양자 인터커넥트와 같은 응용 분야에 기여한다.

ABSTRACT

Quantum emitters coupled to optical resonators are quintessential systems for exploring fundamental phenomena in cavity quantum electrodynamics (cQED) and are commonly used in quantum devices acting as qubits, memories and transducers. Many previous experimental cQED studies have focused on regimes in which a small number of identical emitters interact with a weak external drive, such that the system can be described with simple, effective models. However, the dynamics of a disordered, many-body quantum system subject to a strong drive have not been fully explored, despite its importance and potential in quantum applications. Here we study how a large, inhomogeneously broadened ensemble of solid-state emitters coupled with high cooperativity to a nanophotonic resonator behaves under strong excitation. We discover a sharp, collectively induced transparency (CIT) in the cavity reflection spectrum, resulting from quantum interference and collective response induced by the interplay between driven inhomogeneous emitters and cavity photons. Furthermore, coherent excitation within the CIT window leads to highly nonlinear optical emission, spanning from fast superradiance to slow subradiance. These phenomena in the many-body cQED regime enable new mechanisms for achieving slow light and frequency referencing, pave a way towards solid-state superradiant lasers and inform the development of ensemble-based quantum interconnects.

연구 동기 및 목표

• 강하게 구동되고 비균일한 발광체가 고공동성도 캐비티에 있을 때의 다체계 양자 시스템의 동역학을 탐구하기 위해.
• 약한 구동 영역을 초월하여 비순차적, 비균일한 군집에서 양자 간섭과 집단적 반응이 어떻게 발생하는지 이해하기 위해.
• 고체 상태 캐비티 QED에서 집단적 유도 투명성(CIT)과 비선형 방출과 같은 새로운 양자 광학 현상을 입증하기 위해.
• 집단적 다체계 효과를 활용하여 느린 빛, 주파수 기준, 양자 인터커넥트 등 응용 분야를 실현하기 위해.

제안 방법

• 희토류 이온 발광체(Yb3+ in YSO)로 이루어진 비균일하게 넓어진 군집과 결합하기 위해 고공동성도 나노광학 캐비티를 사용하였다.
• 구동 강도와 데티uning을 변화시킨 펄스 레이저를 이용해 캐비티 반사 스펙트럼을 측정하고 집단적 효과를 관찰하였다.
• 결합된 및 비결합된 부분군집의 동역학을 모델링하기 위해 마스터 방정식 시뮬레이션을 적용하였으며, 비균일계에서 비상관 덧셈 방법의 타당성을 검증하였다.
• 캐비티 위상과 반사 스펙트럼을 측정하여 CIT 창구에서 π 위상 이동이 발생하는 것을 확인하였으며, 이는 Fano 유사 공진을 나타낸다.
• 횡방향 구동을 이용해 신호 전송을 제어함으로써 CIT 창구를 기반으로 한 광학 스위치를 설계하였다.
• Yb3+의 A 및 I 전이를 비교하여 공동성도와 분극화의 영향이 CIT 깊이와 너비에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고공동성도 캐비티 내에서 비균일한 발광체 군집이 강하게 구동될 경우 집단적 양자 현상은 어떻게 발생하는가?
• RQ2 캐비티 반사 스펙트럼에서 관측된 날카로운 집단적 유도 투명성(CIT) 창구의 기원과 성질은 무엇인가?
• RQ3 일관된 구동 조건 하에서 CIT 창구 내에서 초방사성과 초저방사성과 같은 비선형 광학적 반응은 어떻게 발생하는가?
• RQ4 CIT 창구를 사용하여 고고도 퇴색비율을 갖는 고속, 전면 광학 스위치를 실현할 수 있는가?
• RQ5 A 및 I 전이 간의 공동성도와 분극화의 차이가 CIT 특성의 너비와 깊이에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 비균일한 라인폭보다 좁은 날카로운 집단적 유도 투명성(CIT) 창구가 캐비티 반사 스펙트럼에서 관측되었으며, 이는 구동된 발광체와 캐비티 광자 간의 양자 간섭으로 인해 발생한다.
• CIT 창구의 중심에서 비록 강한 구동 조건이더라도 발광체가 일관된 상태로 자극될 수 있었으며, 공진선을 기준으로 상대적 π 위상 이동이 관측되었다.
• 비선형 광학적 방출이 관측되었으며, 이는 초방사성에서 장수명의 초저방사 상태에 이르기까지 다양하게 나타났으며, 구동 강도가 증가함에 따라 인구 분포가 초방사성에서 초저방사 하위공간으로 이동하였다.
• 고강도(2 a.u.)에서 시스템는 완전한 혼합 상태에 가까워졌으며, 초저방사 하위공간 내에서 각각 다른 디키 상태의 degeneracy로 인해 Dicke 상태 간의 인구 분포가 비균형을 이뤘다.
• 더 높은 분극화 손실에도 불구하고 I 전이의 경우 A 전이보다 약간 더 좁은 CIT 너비를 보였으며, 이는 I 전이에서 더 높은 효과적 공동성도를 의미한다.
• 서브 마이크로초 수준의 반응 시간을 갖는 전면 광학 스위치를 실현하였으며, 구동을 통해 좁은 스펙트럼 창구 내에서 완전 반사(DIR)와 투과(CIT) 상태를 전환시켰다.