[논문 리뷰] Multimode quantum properties of a self-imaging OPO: squeezed vacuum and EPR beams generation

Luis A. Razo-López, Bénoît Chalopin외 4명|ArXiv.org|2008. 12. 27.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 자기영상화 광학적 비선형 주기오실레이터(OPO)가 다중모드 비고전적 빛을 생성함을 보여주며, 가로 방향 모드 전역에 걸쳐 국소적 양자압축과 아인슈타인-포돌스키-로젠(EPR) 빛줄기를 생성한다. 캐비티의 자기영상화 성질을 활용하고 헤르mite-구스모드 분해를 통해 고유모드를 구해내어, 측정 가능한 압축을 보이는 최대 50개의 효과적 양자모드를 달성함으로써, 양자 영상 및 다중모드 양자통신 분야의 응용 가능성을 확보한다.

ABSTRACT

We investigate the spatial quantum properties of the light emitted by a perfectly spatially degenerate optical parametric oscillator (self-imaging OPO). We show that this device produces local squeezing for areas bigger than a coherence are that depends on the crystal length and pump width. Furthermore, it generates local EPR beams in the far field. We show, calculating the eigenmodes of the system, that it is highly multimode for realistic experimental parameters.

연구 동기 및 목표

• 양자 정보 및 영상 분야에서 조절 가능한 횡방향 형상을 가진 고도로 다중모드 비고전적 빛의 소스를 개발하기 위해.
• 기존 OPO가 횡방향 모드를 걸러내는 한계를 극복하기 위해, 모든 횡방향 모드를 지원하는 자기영상화 캐비티를 활용하기 위해.
• 자기영상화 OPO가 방출하는 빛의 공간적 양자적 성질을 조사하기 위해, 특히 국소적 압축과 EPR 빛줄기 생성에 중점을 두기 위해.
• 실제 실험 조건 하에서 효과적 양자모드의 수와 그 공간적 구조를 규명하기 위해.
• 펌프 전력, 캐비티 매개변수, 그리고 근처 및 먼 거리에서 측정 가능한 압축 간의 이론적 프레임워크를 수립하기 위해.

제안 방법

• 전체 횡방향 모드 디게너시를 보장하기 위해, 라운드트립 매트릭스가 항등행렬이 되도록 자기영상화 OPO 캐비티를 ABCD 매트릭스 형식으로 모델링하기 위해.
• 고유모드 분석을 위한 기저로 헤르mite-구스모드를 사용하여, 횡방향 모드에 대한 필드 연산자 분해를 유도하기 위해.
• 이득, 손실, 그리고 커플링 미러의 투과율에 의한 입력 노이즈를 포함한 내부장에 대한 양자 랭지브 방정식을 수립하기 위해.
• 입력-출력 관계와 사각형 연산자들을 사용하여 압축 스펙트럼을 구하고, 상호작용 매트릭스 $K_{int}$의 고유값에 따라 분산 표현식을 유도하기 위해.
• 고유값 분해를 통해 $K_{int}$의 고유모드를 계산하여, 이들이 펌프 너비에 의해 결정되는 웨이스트를 가진 헤르mite-구스모드에 매우 가까운 형태임을 보여주기 위해.
• 고유모드 분해를 사용하여 행렬 역행과 노이즈 전파를 통해 임의의 검출기 픽셀에서 측정 가능한 압축을 계산하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자기영상화 OPO는 비편재 영역보다 더 넓은 영역에서 국소적 압축을 생성할 수 있는가?
• RQ2 자기영상화 OPO는 먼 거리에서 얽힌 EPR 빛줄기를 생성하는가? 이는 펌프 전력과 캐비티 매개변수에 어떻게 의존하는가?
• RQ3 시스템 내에서 효과적 독립 양자모드의 수는 얼마이며, 크리스탈 길이와 펌프 빔 너비에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 시스템의 고유모드는 헤르mite-구스모드와 어떻게 관련되어 있으며, 그 공간적 구조와 압축 프로파일은 어떠한가?
• RQ5 이 시스템은 양자 영상 및 연속변수 양자통신에 적합한 다중모드 양자 상태를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 자기영상화 OPO는 비편재 영역보다 더 넓은 영역에서 국소적 압축을 생성하며, 이는 크리스탈 길이와 펌프 빔 너비에 반비례한다.
• 시스템은 먼 거리에서 국소적 EPR 빛줄기를 생성하여, 양자 영상 및 초해상도 기법에 잠재적인 가능성을 확인한다.
• 시스템의 고유모드는 헤르mite-구스모드에 잘 근사되며, 기본모드는 최대 이득과 가장 큰 압축을 가지는 것으로 나타났다.
• 1cm의 크리스탈과 1064nm에서 300µm의 펌프 웨이스트를 가진 경우, 협업도 $\kappa = 6.8$에 의해 약 50개의 효과적 양자모드를 지원한다.
• 개별 고유모드의 압축은 모드 번호가 증가함에 따라 감소하며, 최대 고유값의 약 10% 이상인 모드들만이 유의미한 비고전성을 보인다.
• 임의의 형상의 검출기에서 측정된 압축은 고유모드 분해를 사용한 분석 모델과 수치 시뮬레이션 모두에서 정확하게 예측된다.