[논문 리뷰] Nonclassical light in coupled optical systems: anomalous power distribution, Fock space dynamics and supersymmetry

Ramy El‐Ganainy, Alexander Eisfeld외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 24.

Quantum optics and atomic interactions참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 하미르토니안 대각화를 통해 고전적 대응이 없는 비고전적 강도 분포를 보이는 결합된 광학 시스템에서의 비고전적 빛을 조사한다. 이는 포크 공간에서의 응집된 전송, 국소화 및 블로흐 진동을 드러내며, 한 광자 차이가 나는 포크 다양체 간의 이산 초대칭성을 수립함으로써 빛의 흐름에 대한 새로운 양자 제어를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We investigate the dynamics of nonclassical states of light in coupled optical structures and we demonstrate a number of intriguing features associated with such arrangements. By diagonalizing the system's Hamiltonian, we show that these geometries can support eigenstates having anomalous optical intensity distribution with no classical counterpart. These features may provide new avenues towards manipulating light flow at the quantum level. By projecting the Hamiltonian operator on Hilbert subspaces spanning different numbers of photon excitations, we demonstrate that processes such as coherent transport, state localization and surface Bloch oscillations can take place in Fock space. Furthermore, we show that Hamiltonian representations of Fock space manifolds differing by one photon obey a discrete supersymmetry relation

연구 동기 및 목표

• 결합된 광학 구조에서의 비고전적 빛의 양자 역학적 거동을 탐구하기 위해.
• 고전적 대응이 없는 비정상적인 광학 강도 분포를 식별하고 특성화하기 위해.
• 한 광자 수가 고정된 포크 부분다양체에서의 응집된 전송, 국소화 및 블로흐 진동을 분석하기 위해.
• 한 광자 수가 다른 포크 다양체 간의 이산 초대칭 관계를 수립하기 위해.
• 설계된 광학 시스템을 통해 빛의 흐름에 대한 새로운 제어 경로를 시연하기 위해.

제안 방법

• 비고전적 강도 프로파일을 갖는 고유상태를 식별하기 위해 시스템의 하미르토니안을 대각화하기 위해.
• 고정된 광자 수 흥분에 대응하는 힐베르트 부분공간(포크 부분공간)에 하미르토니안을 투영하기 위해.
• 개별 포크 부분공간 내에서의 응집된 전송 및 국소화와 같은 역학을 분석하기 위해.
• 주기적인 구동 또는 포텐셜 조절을 통해 포크 공간에서 표면 블로흐 진동을 조사하기 위해.
• 한 광자 수가 다른 포크 다양체 간의 이산 초대칭 관계를 유도하고 검증하기 위해.
• 다중 모드 광자 시스템과 비고전 상태를 기술하기 위해 제2량자화 형식을 사용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결합된 광학 시스템은 고전 광학에서 찾을 수 없는 비정상적인 강도 분포를 갖는 비고전적 빛 상태를 지닐 수 있는가?
• RQ2 다중 광자 상태에서 포크 공간에서 응집된 전송과 국소화는 어떻게 나타나는가?
• RQ3 포크 공간에서 표면 블로흐 진동을 실현할 수 있으며, 어떤 조건이 이를 가능하게 하는가?
• RQ4 한 광자 수가 다른 포크 다양체를 연결하는 이산 초대칭성이 존재하는가?
• RQ5 이러한 양자적 특성들은 단일 광자 수준에서 빛을 제어하는 데 어떤 함의를 지닌다?

주요 결과

• 하미르토니안은 고전적 대응이 없는 비정상적인 광학 강도 분포를 갖는 고유상태를 지님으로써 양자 간섭과 얽힘에 기인한다.
• 포크 공간에서 응집된 전송, 국소화 및 표면 블로흐 진동이 관측되어 단일 광자 영역을 넘는 양자 역학적 거동을 보여준다.
• 한 광자 수가 다른 포크 공간 다양체는 이산 초대칭 관계를 가지며, 에너지 스펙트럼과 고유상태 구조를 연결한다.
• 초대칭은 정확하게, 한 다양체의 하미르토니안이 다른 다양체의 하미르토니안과 광자 수 이동을 제외하고 동일 스펙트럼을 갖는다는 의미에서 정의된다.
• 이러한 특성들은 하미르토니안의 기본 구조에서 기인하며, 특정 대칭성과 시스템 구성 조건 하에서 강인하다.
• 결과적으로, 이는 광학 격자와 결합된 공진기에서 빛의 흐름을 공학적으로 제어하기 위한 새로운 메커니즘을 시사한다.