[논문 리뷰] Observation of superradiant bursts in a cascaded quantum system

Christian Liedl, Felix Tebbenjohanns외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 16.

Strong Light-Matter Interactions참고 문헌 61인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 약 1000개의 세슘 원자로 구성된 연쇄 양자 시스템에서 나노섬유 웨이브가이드에 치르로 결합된 상태에서 초광속 붕괴 방출이 실험적으로 입증된다. 여기서 빛은 한 방향으로만 방출된다. 표준 Dicke 초광속 방출과 비교해 대칭성이 감소했음에도 불구하고, 피크 출력의 스케일링 속도가 Dicke 초광속 방출을 초월하며, 초기 자극 또는 진공 변동에 의해 지배되는 명확한 위상 일관성 영역을 보인다. 이론 모델은 원자 수에 대해 선형적으로 증가하는 계산 복잡도를 가지며, 실험 데이터를 정량적으로 일치시킨다.

ABSTRACT

Dicke superradiance describes the collective radiative decay of a fully inverted ensemble of two-level atoms. We experimentally investigate this effect for a chiral, i.e.,~direction-dependent light--matter coupling. Despite a fundamentally different interaction Hamiltonian which has a reduced symmetry compared to the standard Dicke case, we do observe a superradiant burst emission. The burst occurs above a threshold number of atoms, and its peak power scales faster with the number of atoms than in the case of free-space Dicke superradiance. We measure the first-order coherence of the burst emission and experimentally distinguish two regimes, one dominated by the coherence induced during the excitation process and the other governed by vacuum fluctuations. Our results shed light on the collective radiative dynamics of cascaded quantum many-body systems, i.e., a system in which each quantum emitter is only driven by light radiated by emitters that are further upstream in the cascade. Our findings may turn out useful for generating multi-photon Fock states as a resource for quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 표준 Dicke 초광속 방출의 입자 교환 대칭성을 깨는 단방향 빛-물질 결합을 가진 연쇄 양자 시스템에서 초광속 붕괴 동역학을 연구하기 위해.
• 대칭성이 감소하고 장거리 웨이브가이드 매개 상호작용이 존재하는 시스템에서도 초광속 방출이 유지되는지 확인하기 위해.
• 붕괴 방출의 위상 일관성 특성을 측정하고, 초기 자극에 의한 일관성과 진공 변동에 의한 일관성 간의 차이를 구분하기 위해.
• 원자 수에 대해 선형적으로 증가하는 계산 복잡도를 가지며 실험 관측치를 정량적으로 예측할 수 있는 계산 효율적인 모델을 개발하고 검증하기 위해.

제안 방법

• 짧고 공 resonance인 나노섬유에 의한 광 펄스를 사용해 원자들을 위상적으로 역전시켜, 나노섬유의 전파되는 외부 모드와 결합된 완전히 역전된 집합체를 형성한다.
• 각 원자가 상류 원자들에 의해 방출된 빛만으로 구동되는 연쇄 양자 시스템으로 모델링하며, 체인을 따라 반복적으로 동역학을 해결한다.
• 혼합 위상 일관성 상태 근사를 사용해 각 원자에 대한 입력장을 모델링하며, 상류 원자들로부터 온 위상 일관성 성분과 진공 변동으로부터 온 비위상 일관성 성분을 별도로 처리한다.
• 위상 일관성 입력의 위상에 대해 적분하여 출력 전력을 계산함으로써 원자 수에 대해 선형 스케일링이 가능하고 붕괴 동역학을 정확히 예측할 수 있다.
• 원자 위치의 열적 변동은 결합 강도의 잘린 가우시안 분포에 대해 평균을 취해 고려하며, 두 개의 자유 매개변수를 데이터에 적합시킨다.
• 모델이 실험 결과와 정량적 일치를 보임으로써 연쇄 시스템 기술의 타당성이 확인되며, 더 복잡한 many-body 방법에 비해 선형 복잡도 접근법이 타당함을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 교환 대칭성이 없는 치르로 단방향 결합을 가진 연쇄 양자 시스템에서 초광속 붕괴 방출이 발생하는가?
• RQ2 자기 수에 비해 연쇄 시스템에서 붕괴 방출의 피크 출력은 자유공간 Dicke 초광속 방출과 비교해 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 붕괴 방출의 위상 일관성은 무엇에 의해 결정되는가—초기 자극의 위상 일관성인지, 진공 변동인지, 특히 원자 집합체가 완전히 역전된 상태에 가까울 때는?
• RQ4 원자 수에 대해 선형적으로 증가하는 계산 효율 모델이 이러한 시스템의 집합적 복사 동역학을 정확히 기술할 수 있는가?
• RQ5 붕괴 방출의 시작과 피크 시점에서의 전자기장 위상 일관성에 따르면, 초광속 붕괴 방출이 주로 한 개의 시간 모드로 방출되는가?

주요 결과

• 치르로 결합된 나노섬유 웨이브가이드에 연결된 약 1000개의 세슘 원자로 구성된 연쇄 시스템에서 초광속 붕괴 방출이 실험적으로 관측되었으며, 대칭성이 감소했음에도 불구하고 초광속 방출이 유지됨을 확인하였다.
• 붕괴 방출의 피크 출력이 표준 Dicke 초광속 방출보다 원자 수에 대해 더 빠르게 스케일링됨을 보여, 연쇄 기하학에서 집합적 방출이 향상됨을 시사한다.
• 중간 정도의 자극 펄스 면적에서 붕괴 방출은 자극 레이저와 위상 일관성이 유지되며, 자극 과정 중에 위상 일관성이 인코딩됨을 나타낸다.
• 원자 집합체가 완전히 역전된 상태에 가까이 위상적으로 준비된 경우, 붕괴 방출은 자극 레이저와 위상 일관성을 失한다. 이는 진공 변동이 방출을 이끌며 위상이 정의되지 않은 전자장을 생성함을 보여준다.
• 붕괴의 시작 시점에서의 전자기장이 후속 시간의 전자기장과 위상 일관성이 유지됨을 보여, 방출이 한 개의 시간 모드로 이루어졌음을 시사하며, 이는 양자 상태 생성에 핵심적인 특성이다.
• 혼합 위상 일관성 상태 입력과 원자별 반복적 전파를 기반으로 한 선형 스케일링 모델이 오직 두 개의 자유 매개변수로 모든 실험 데이터와 정량적 일치를 이룩하며, 연쇄 시스템 기술의 타당성을 검증한다.