[논문 리뷰] Multimode amplitude squeezing through cascaded nonlinear optical processes

Sahil Pontula, Yannick Salamin외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 05. 08.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고도로 조절된 Q 인자로 구성된 계단식 비선형 광학 공진통을 제안하여 이산 주파수 모드에서 쇼트 노이즈 한계 이하 10 dB 이상의 다중모드 진폭 압축을 달성한다. 공통의 아이들러 '바스' 모드를 활용하고, 블로흐 진동을 지원하는 합성 주파수 공진통을 형성함으로써, 산란에 비해 증강된 비선형 결합을 통해 다수의 모드에서 조절 가능한 밝은 압축을 실현한다.

ABSTRACT

Multimode squeezed light is enticing for several applications, from squeezed frequency combs for spectroscopy to signal multiplexing in optical computing. To generate squeezing in multiple frequency modes, optical parametric oscillators have been vital in realizing multimode squeezed vacuum states through second-order nonlinear processes. However, most work has focused on generating multimode squeezed vacua and squeezing in mode superpositions (supermodes). Bright squeezing in multiple discrete frequency modes, if realized, could unlock novel applications in quantum-enhanced spectroscopy and optical quantum computing. Here, we show how $Q$ factor engineering of a multimode nonlinear cavity with cascaded three wave mixing processes creates strong, spectrally tunable single mode output amplitude noise squeezing over 10 dB below the shot noise limit. In addition, we demonstrate squeezing for multiple discrete frequency modes above threshold. This bright squeezing arises from enhancement of the (noiseless) nonlinear rate relative to decay rates in the system due to the cascaded generation of photons in a single idler "bath" mode. A natural consequence of the strong nonlinear coupling in our system is the creation of an effective cavity in the synthetic frequency dimension that sustains Bloch oscillations in the modal energy distribution. Bloch mode engineering could provide an opportunity to better control nonlinear energy flow in the synthetic frequency dimension, with exciting applications in quantum random walks and topological photonics. Lastly, we show evidence of long-range correlations in amplitude noise between discrete frequency modes, pointing towards the potential of long-range entanglement in a synthetic frequency dimension.

연구 동기 및 목표

• 계단식 파라메트릭 과정을 이용해 다수의 이산 주파수 모드에서 밝은 진폭 압축을 구현하는 것.
• 비선형 결합과 산란을 조절하여 단일 과정 진폭 압축의 3 dB 이론적 한계를 초월하는 것.
• 합성 주파수 차원이 비선형 에너지 흐름과 양자 노이즈를 제어하는 데 미치는 역할을 탐색하는 것.
• 주파수 공간에서의 장거리 진폭 노이즈 상관관계를 장거리 얽힘의 징후로 연구하는 것.
• 양자 향상 스펙트로스코피 및 광학 계산 응용을 위한 조절 가능하고 광역이며 스펙트럼 선택적인 압축을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 공유된 아이들러 '바스' 모드를 통해 다수의 신호 모드를 연결하는 다모드 비선형 공진통에서 계단식 삼파동 혼합 과정을 활용한다.
• 주파수 도메인에서 Q 인자 프로파일을 설계하여 산란 속도 대비 비선형 결합을 증가시켜 합성 주파수 공진통을 형성한다.
• 합성 주파수 차원에서 반대 방향으로 진행하는 블로흐 모드를 활용하여 모드 에너지 분포에 정적파 패턴을 생성한다.
• 개별 주파수 모드의 외부 커플링(Q 인자)을 선택적으로 제어하기 위해 광결정 기반 주파수 조절 가능 필터를 사용한다.
• 강한 다중모드 결합으로 인한 리듬적 진동을 포함한 비선형 미분 방정식 조합을 사용해 평균장 역학과 양자 노이즈를 모델링한다.
• 선형화된 영역에서 전체 양자 랑주반 및 하이젠베르크-랑주반 형식을 사용해 노이즈 상관관계와 압축 스펙트럼을 분석한다.

Figure 1: Squeezing in a multimode cavity with THz-mediated cascaded three wave mixing. (a) Cascading infrared (IR) orders are resonant in a multimode cavity and undergo three wave mixing (TWM) mediated by a terahertz (THz) mode, creating a frequency comb (red) with modes separated by the THz freque

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중모드 공진통에서 계단식 비선형 과정이 다수의 이산 주파수 모드에서 3 dB 한계를 초월하는 진폭 압축을 생성할 수 있는가?
• RQ2 합성 주파수 차원에서의 Q 인자 조절이 진폭 압축의 강도와 스펙트럼 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 블로흐 진동과 반대 방향 모드 간 간섭은 정 steady 상태 에너지 분포와 노이즈 특성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 주파수 공간에서의 장거리 진폭 노이즈 상관관계는 합성 차원에서의 장거리 양자 얽힘 존재 여부를 시사하는가?
• RQ5 이 플랫폼을 얼마나 널리 활용해 조절 가능하고 밝으며 광역이고 스펙트럼 선택적인 주파수 복합체를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• Q 인자 조절과 계단식 비선형 결합을 통해 단일 모드 진폭 압축이 쇼트 노이즈 한계 이하 10 dB를 초과하여 달성된다.
• 임계값을 초월한 다중모드에서 동시에 진폭 압축이 다수의 이산 주파수 모드에서 입증되었으며, 대역폭이 100 MHz를 초과한다.
• 합성 주파수 공진통은 블로흐 진동과 반대 방향 모드를 지원하여 모드 에너지 분포에 정적파 패턴을 유도한다.
• 이산 주파수 모드 간에 강한 장거리 진폭 노이즈 상관관계가 관측되어 합성 주파수 차원에서의 장거리 얽힘 가능성을 시사한다.
• 개별 모드의 외부 커플링 Q 인자를 조절함으로써 어떤 모드가 압축되는지 조절 가능한 제어가 가능하다.
• 이론적 분석은 산란에 비해 증가된 비선형 결합이 강한 압축을 가능하게 하는 핵심 메커니즘이며, 무손실 비율 증가와 일치함을 확인한다.

Figure 2: Intracavity dynamics and noise due to strong cascaded nonlinear interactions. (a) $Q$ factor shaping (through the use of frequency-dependent couplers) permits the creation of frequency combs containing only redshifted modes relative to the pump mode $a_{0}$ . The temporal dynamics feature