[논문 리뷰] The quantum nature of light in high harmonic generation.

Maciej Lewenstein, Marcelo F. Ciappina외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 24.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고조파 발생에 대한 처음으로 엄밀한 양자전자역학적 기술을 제공하며, 주입 레이저와 생성된 고조파 모두가 일관된 양자 상태임을 입증한다. 이는 고조파 발생 과정이 슈뢰딩거 고양이 상태와 슈뢰딩거 고양이 고양이 유사 상태 사이를 연결하는 초위상 상태를 생성함을 드러내며, 강한장 물리학과 양자 기술 분야의 기초가 되는 양자 프레임워크를 구축한다.

ABSTRACT

High-harmonic generation is one of the most fundamental processes in strong laser-field physics that has led to countless achievements in atomic physics and beyond. However, a rigorous quantum electrodynamical picture of the process has never been reported. Here, we prove rigorously and demonstrate experimentally that the quantum state of the driving laser field, as well as that of harmonics, is coherent. Projecting this state on its part corresponding to harmonic generation, it becomes a superposition of a state, amplitude-shifted due to the quantum nature of light, and the initial state of the laser. This superposition interpolates between a Schrodinger kitten, and a genuine Schrodinger cat state. This work opens new paths for ground-breaking investigations in strong laser-field physics and quantum technology. We dedicate the work to the memory of Roy J. Glauber, the inventor of coherent states.

연구 동기 및 목표

• 고조파 발생을 강한 레이저장 물리학의 핵심 과정으로 삼아 엄밀한 양자전자역학적 프레임워크를 수립하기 위해.
• 고조파 발생 과정 중 주입 레이저장과 생성된 고조파의 양자적 성격을 조사하기 위해.
• 시스템의 양자 상태가 슈뢰딩거 고양이 고양이 상태인지 또는 진정한 슈뢰딩거 고양이 상태로 진화하는지 확인하기 위해.
• 강한장 물리학에서 반고전 모델과 완전한 양자 기술 간의 격차를 메우기 위해.

제안 방법

• 강한 레이저장과 원자 매체 간의 상호작용을 기술하기 위해 양자전자역학을 적용하여 고조파 발생 동안의 과정을 모델링하기 위해.
• 관련된 양자 역학적 동역학을 분리하기 위해 고조파 발생과 관련된 부분공간에 전체 양자 상태를 투영하기 위해.
• 빛의 양자적 성격으로 인해 발생하는 초기 레이저 상태와 진폭이 이동된 버전의 초위상으로서 결과 상태를 분석하기 위해.
• 이론적 분석과 실험적 검증을 통해 생성된 양자 상태의 일관성과 얽힘 특성을 확인하기 위해.
• 일관된 상태와 양자 초위상의 형식을 사용하여 결과 상태가 슈뢰딩거 고양이 고양이 상태와 진정한 슈뢰딩거 고양이 상태 사이를 연결하는 것으로 특성화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고조파 발생 동안 레이저장과 생성된 고조파의 진정한 양자 상태는 무엇인가?
• RQ2 고조파 발생 과정이 고양이 유사 성격을 띠는 초위상 상태를 생성하는가?
• RQ3 빛의 양자적 성격이 생성된 고조파의 진폭과 일관성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 생성된 상태가 슈뢰딩거 고양이 고양이 상태와 진정한 슈뢰딩거 고양이 상태 중 어느 정도 유사한가?

주요 결과

• 양자전자역학이 예측한 바와 같이, 주입 레이저장과 생성된 고조파의 양자 상태가 일관된 것으로 확인되었다.
• 고조파 발생 과정은 슈뢰딩거 고양이 고양이 상태와 진정한 슈뢰딩거 고양이 상태 사이를 연결하는 초위상 상태를 생성한다.
• 빛의 본질적 양자적 성격으로 인해 발생하는 양자 진폭 이동이 있으며, 이는 실험적으로 검증 가능하다.
• 시스템의 양자 상태는 단순히 고전적 초위상이 아니라 측정 가능한 양자적 특성을 지닌 비고전적 초위상이다.