[논문 리뷰] Scattering of coherent pulses on a two-level system

Joel Lindkvist, Göran Johansson|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 15.

Quantum Information and Cryptography인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 일차원 보존 모드 연속체에 결합된 두 상태 체계(TLS)에 대한 일관된 펄스의 산란을 마스터 방정식 접근법을 사용하여 분석하여 광자 수 분포를 계산한다. 단일 전송선에서 단일 광자 방출 확률은 여전히 최적화되지 않았지만, 시스템을 두 개의 선으로 확장하면 근접한 단일 광자 확률을 가지는 출력 필드를 얻을 수 있으며, 이는 결정론적 단일 광자 소스의 행동에 가까워진다.

ABSTRACT

In this work, we consider a two-level system (TLS) coupled to a one-dimensional continuum of bosonic modes in a transmission line. Using the master equation approach, a method for determining the photon number distribution of the scattered field is outlined. Specifically, results for the reflected field when driving the TLS with a coherent pulse are given. While the one-photon probability is enhanced compared to the incident coherent field, the system is still not a good deterministic single-photon source. Extending the system to contain two separate transmission lines, however, output fields with one-photon probabilities close to unity can be reached.

연구 동기 및 목표

• 일차원 보존 모드 연속체에 결합된 두 상태 체계(TLS)에 대한 일관된 펄스 산란을 모델링한다.
• 마스터 방정식 접근법을 사용하여 산란된 필드의 광자 수 분포를 결정한다.
• 일관된 펄스 자극 하에서 TLS가 단일 광자 소스로서의 성능을 평가한다.
• 시스템을 두 개의 전송선으로 확장하면 단일 광자 방출 확률이 향상되는지 탐구한다.

제안 방법

• 전송선 내 일차원 보존 모드 연속체에 결합된 TLS를 포함하는 개방 양자 시스템에 대한 마스터 방정식을 수립한다.
• 마스터 방정식을 사용하여 밀도 행렬의 시간 진화를 계산하고 산란된 필드의 광자 통계를 추출한다.
• 일관된 펄스가 TLS에 입사하는 반사 시뮬레이션을 수행하고 결과적인 광자 수 분포를 계산한다.
• 단일 전송선 외에 두 번째 별도의 전송선을 포함하도록 모델을 확장하여 단일 광자 방출에 미치는 영향을 분석한다.
• 원단위 및 이중선 구성에서의 단일 광자 확률을 비교하여 소스 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일관된 펄스가 일차원 연속체 내 TLS에 입사할 경우 산란된 필드의 광자 수 분포는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 TLS가 단일 전송선에서 일관된 펄스에 의해 자극될 경우 반사된 필드에서의 단일 광자 확률은 얼마인가?
• RQ3 두 번째 전송선을 도입함으로써 단일 광자 확률을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이중선 구성에서 시스템은 어느 정도 결정론적 단일 광자 소스 행동에 가까워지는가?

주요 결과

• 단일 전송선 구성에서 일관된 펄스에 비해 반사된 필드에서의 단일 광자 확률이 향상된다.
• 향상된 결과에도 불구하고 단일선 구성에서는 시스템이 좋은 결정론적 단일 광자 소스로 기능하지 못한다.
• 두 개의 별도 전송선으로 시스템을 확장하면 출력 필드의 단일 광자 확률이 1에 가까워진다.
• 이중선 구성은 단일 광자 방출의 정밀도를 크게 향상시키며, 실용적인 결정론적 단일 광자 소스 구현 가능성에 기여한다.