[논문 리뷰] Synthesizing electromagnetically induced transparency without a control field in waveguide QED using small and giant atoms

Andreas Ask, Yao-Lung L. Fang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 30.

Quantum Information and Cryptography인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 외부 제어 필드가 필요 없이, 두 수준 원자—작은 원자와 거대 원자—만을 사용하여 파이프웨이브 QED에서 전자기 유도 투과성(EIT)을 합성할 수 있음을 보여준다. 특히, 조정된 결합 구조에서 발생하는 양자 간섭을 활용함으로써, 탈진된 원자 또는 빗금진 거대 원자를 포함한 시스템에서 진정된 EIT가 나타나며, 형광 끄기 효과를 통해 느린 빛과 비상호성 있는 광자 전송이 가능하다. 이는 복잡한 구동 필드 없이도 실현된다.

ABSTRACT

The absorption of photons in a three-level atom can be controlled and manipulated by applying a coherent drive at one of the atomic transitions. The situation where the absorption is fully canceled, and the atom thus has been turned completely transparent, has been coined electromagnetically induced transparency (EIT). The characteristics of EIT is a narrow transparency window associated with a fluorescence quench at its center frequency, indicating that inelastic scattering at this particular point is suppressed. The emergence of EIT-like transparency windows is common in waveguide quantum electrodynamics (QED) when multiple closely spaced quantum emitters are coupled to a waveguide. The transparency depends on the separation and energy detuning of the atoms. In this work, we study a number of different setups with two-level atoms in waveguide QED that all exhibit EIT-like transparency windows. Unlike the case of a genuine three-level atom, no drive fields are required in the systems we consider, and the coherent coupling of energy levels is mediated by the waveguide. We specifically distinguish between systems with genuine EIT-like dynamics and those that exhibit a transparency window but lack the fluorescence quench. The systems that we consider consist of both small and giant atoms, which can be experimentally realized with artificial atoms coupled to either photons or phonons. These systems can offer a simpler route to many EIT applications since the need for external driving is eliminated.

연구 동기 및 목표

• 외부 제어 필드 없이도 진동수에 따라 투과 창문이 나타날 수 있는 파이프웨이브 QED에서 EIT 유사 투과성의 존재를 보여주기.
• 형광 끄기가 있는 진정된 EIT를 보이는 시스템과 비탄성 산란 억제가 없는 투과 창문을 보이는 시스템을 구분하기.
• 특히 다중 결합 지점이 있는 거대 원자를 포함한 구성이 진정된 다크 상태와 EIT 행동을 지속할 수 있도록 하는지를 규명하기.
• 1차원 파이프웨이브에 결합된 두 수준 시스템에서 EIT 영역을 식별하는 이론적 프레임워크를 제공하여 초전도 회로 및 기타 파이프웨이브 QED 플랫폼에 적용 가능하게 하기.
• 다수의 일관된 구동 필드가 필요 없이 EIT 기반 양자 기술의 더 단순하고 확장 가능한 실현 가능성을 높이기.

제안 방법

• 1차원 파이프웨이브 QED에서 두 수준 원자를 포함한 전파 계수를 계산하기 위해 산란 행렬 이론을 사용함. 이는 작은 원자와 임의의 결합 지점이 있는 거대 원자를 포함함.
• 양자 간섭과 다크 상태 형성에 기반한 EIT 영역를 식별하는 기준을 유도함. 이는 빗금진 결합 기하학적 배열과 같은 다양한 구성에 적용 가능함.
• 단일 광자 영역에서 마스터 방정식을 수치적으로 해결하여 비탄성 광자 조도를 계산하고, 투과성 주파수에서 형광 끄기의 존재 여부를 평가함.
• 그림 1(b)–(e)에 나타난 구성들을 체계적으로 비교하여 원자 떨어짐과 결합 기하학이 다크 상태 형성에 어떻게 영향을 주는지 분석함.
• 전달 행렬 방법을 전파 계수 계산에 사용했지만, 피드백 루프를 포함한 복잡한 거대 원자 구성에서는 이 방법의 한계를 강조함.
• 거대 원자에서 다중 지점 결합이 외부 구동 없이도 비틀린 간섭 효과를 가능하게 하여 EIT를 모방하는 데 기여하는 역할을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외부 제어 필드 없이도 진동수에 따라 투과 창문이 나타나는 파이프웨이브 QED에서 EIT 유사 투과성이 발생할 수 있는가? 외부 제어 필드 없이 내재된 양자 간섭에 의존하는가?
• RQ2 파이프웨이브에 존재하는 두 수준 원자(작은 원자 또는 거대 원자) 중 어떤 구성이 형광 끄기가 있는 진정된 EIT 효과를 보이는가?
• RQ3 원자 떨어짐과 결합 기하학(예: 빗금진 또는 중첩된 구조)은 다크 상태 형성과 비탄성 산란 억제에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 형광 끄기가 없는 EIT 유사 투과 창문을 보이는 시스템과 진정된 EIT 행동을 보이는 시스템을 어떻게 구분할 수 있는가?
• RQ5 기존의 3수준 시스템에 비해 더 높은 유연성과 더 낮은 실험적 부담을 지닌 거대 원자를 설계하여 EIT 유사 효과를 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 형광 끄기가 발생하는 진정된 EIT는 이중으로 자극된 상태가 억제되는 시스템에서만 나타나며, 이는 탈진된 두 수준 원자 또는 빗금진 거대 원자에서 확인된다. 이는 진정된 다크 상태 형성이 이루어졌음을 확인한다.
• 비탈진 원자나 단일 지점 결합(예: 작은 원자 또는 빗금지 않은 거대 원자)을 포함한 구성은 투과 창문을 보이지만 형광 끄기가 없으며, 이는 비탄성 산란이 완전히 억제되지 않았음을 시사한다.
• EIT 영역는 양자 간섭과 결합 기하학에 기반한 기준에 의해 식별되며, 이는 거대 원자에서 결합 지점의 상대 위상과 위치에 따라 달라진다.
• 빗금진 및 중첩된 결합 기하학을 가진 거대 원자 구성은 외부 구동 없이도 비틀린 간섭을 가능하게 하여 다크 상태를 지속시키며, Λ-구조 시스템의 행동을 모방한다.
• 일부 구성에서 형광 끄기가 없는 것은 투과성이 양자 간섭 때문이 아니라, 수준 분리나 스펙트럼 필터링 같은 다른 메커니즘 때문임을 시사한다.
• 결과적으로 두 수준 시스템, 특히 거대 원자는 양자 메모리 및 비상호성 장치와 같은 EIT 기반 응용 분야에서 3수준 원자를 대체할 수 있으며, 실험적 복잡성을 감소시킬 수 있다.