[논문 리뷰] Nonlinear optics using intense optical coherent state superpositions

Theocharis Lamprou, Javier Rivera-Dean외 3명|arXiv (Cornell University)|2023. 06. 26.

Laser-Matter Interactions and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 평균 광자 수 약 ~10²까지 도달하는 인프라레드 영역에서 강력한 펌터세컨드 광학적 슈뢰딩거 고양이 상태를 생성함으로써 비선형 광학을 가능하게 한다. 고조파 생성 이후 강력한 인프라레드 레이저의 양자 상태를 조건화함으로써 저자들은 매크로스코픽 초위상 상태를 생성하며, 이는 두 번째 조화 분광을 유도한다. 간섭 측정 자료에 인코딩된 양자 간섭 현상은 상태의 비고전적 성격을 입증한다.

ABSTRACT

Superpositions of coherent light states, are vital for quantum technologies. However, restrictions in existing state preparation and characterization schemes, in combination with decoherence effects, prevent their intensity enhancement and implementation in nonlinear optics. Here, by developing a decoherence--free approach, we generate intense femtosecond--duration infrared coherent state superpositions (CSS) with a mean photon number orders of magnitude higher than the existing CSS sources. We utilize them in nonlinear optics to drive the second harmonic generation process in an optical crystal. We experimentally and theoretically show that the non--classical nature of the intense infrared CSS is imprinted in the second-order autocorrelation traces. Additionally, theoretical analysis shows that the quantum features of the infrared CSS are also present in the generated second harmonic. The findings introduce the optical CSS into the realm of nonlinear quantum optics, opening up new paths in quantum information science and quantum light engineering by creating non-classical light states in various spectral regions via non-linear up-conversion processes.

연구 동기 및 목표

• 기존 광학적 '고양이 상태' 소스의 낮은 광자 수 제한을 극복하여 비선형 광학에서의 응용을 제한하는 문제를 해결한다.
• 비선형 과정을 주도할 수 있는 높은 평균 광자 수를 지닌 강력하고 매크로스코픽 초위상 상태의 광자를 생성한다.
• 광학적 '고양이 상태'에서의 양자 간섭 현상이 두 번째 조화 분광 및 간섭 측정 자료를 통해 탐지될 수 있음을 입증한다.
• 2-AC 자료에서의 피치 패턴을 통해 비고전적 상태와 고전적 혼합 상태를 구별함으로써 생성된 상태의 비고전적 성격을 검증한다.

제안 방법

• 강력한 펌터세컨드 인프라레드 레이저 펄스를 사용하여, 펄스당 약 10¹¹개의 광자를 생성함으로써 강력한 응집 상태를 생성한다.
• 고조파 생성(HHG) 매체에서 원자와의 비선형 상호작용 이후 레이저 장에 대한 조건화 조작을 통해 양자 상태 공학을 적용한다.
• HHG 과정은 응집 상태에 대해 진폭 이동 δα를 유도하며, 이는 |α> ± |-α> 형태의 초위상 상태 |CAT>± = N±(|α> ± |-α>)로 이어진다. 여기서 |α| ~ 10·¹¹이다.
• 생성된 '고양이 상태'는 비선형 결정에서 두 번째 조화 분광(SHG)을 유도하기 위해 사용되며, 인프라레드 광자를 파란 주파수로 상향 변환한다.
• 간섭 측정 자료를 통한 두 번째 차수의 자동상관(2-AC) 측정을 통해 양자 간섭을 탐지하며, 신호 S₊₉(τ) = η∫ dt ⌈I²(t,τ)⌉로 기록된다.
• 고전적 혼합 모델을 제어로 사용하여, 2-AC 자료에서의 피치 패턴이 고전적 통계가 아닌 양자 간섭에서 기인함을 확인한다.

Figure 1: Scheme for utilizing intense optical “cat” states in nonlinear optics. $\ket{\alpha_{L}(t)}$ is the IR coherent state of a $\approx 25$ fs linearly polarized laser pulse of frequency $\omega$ . HHG is the region where the Argon atoms interact with the pulse and the high harmonics are gener

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선형 과정을 주도할 수 있는 평균 광자 수를 지닌 광학적 '고양이 상태'가 실험적으로 실현될 수 있는가?
• RQ2 매크로스코픽 초위상 상태의 응집 상태에서의 양자 간섭 현상이 두 번째 조화 분광과 같은 비선형 광학 반응에 나타나는가?
• RQ3 간섭 측정 자료를 통한 자동상관 측정이 비고전적 '고양이 상태'와 고전적 응집 상태 혼합 상태를 구별할 수 있는가?
• RQ4 양자 상태 조건화가 강력한 광학적 비고전적 상태를 강력한 레이저 필드에서 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 저자들은 평균 광자 수 약 10²인 인프라레드 영역에서 강력한 광학적 '고양이 상태'를 성공적으로 생성하였으며, 이는 현재의 소스보다 크게 초월한다.
• '고양이 상태'를 입력으로 사용하여 두 번째 조화 분광이 관측되었으며, 이는 상태가 비선형 과정을 주도할 정도로 충분히 강력함을 확인한다.
• 초위상 상태 내 두 응집 상태 간의 양자 간섭 현상은 두 번째 차수의 간섭 측정 자료(2-AC)에서 명확한 피치 패턴을 유도한다.
• 2-AC 자료에서의 피치 특징는 고전적 혼합 모델에서는 관측되지 않았으며, 이는 양자 간섭에서 기인한 것으로서 상태의 비고전적 성격을 확인한다.
• 측정된 신호 S₊₉(τ)는 ⌈I²⌉ ≈ ⌈n²⌉ + ⌈n⌉로 스케일링되며, 여기서 ⌈n⌉ ~ 10²으로 나타나 강력한 강도 영역임을 검증한다.
• 결과적으로 광학적 '고양이 상태'가 이제 비선형 양자 광학의 자원으로 사용될 수 있음을 보여주며, 양자 정보 과학 분야에 새로운 길을 열었다.

Figure 2: Calculated 2nd order autocorrelation traces of intense optical “cat” states. (a) 2nd order interferometric autocorrelation (2-AC) trace calculated when the QS is switched off. This corresponds to a conventional 2-AC trace of a coherent light pulse. (b), (c) 2-AC traces calculated when the