[논문 리뷰] Ultrafast non-destructive measurement of the quantum state of light using free electrons

Alexey Gorlach, Aviv Karnieli외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 22.

Advanced Electron Microscopy Techniques and Applications참고 문헌 7인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 광자에 의해 유도되는 국소 전자 현미경(PINEM)을 이용한 자유전자를 통한 초고속 양자 상태 단층촬영의 새로운 비파괴 방법을 제안한다. 양자 빛과의 상호작용 이전 및 이후에 전자 상태를 정밀하게 제어함으로써, 이 기법은 약 10^-18초 이하의 해상도, 전체 광자 통계 추출, 재현 불가능한 양자 상태의 단일 촬영 측정을 가능하게 하며, 높은 비선형성과 비파괴 측정 능력을 갖춘 본질적으로 새로운 유형의 광검출기의 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

Since the birth of quantum optics, the measurement of quantum states of nonclassical light has been of tremendous importance for advancement in the field. To date, conventional detectors such as photomultipliers, avalanche photodiodes, and superconducting nanowires, all rely at their core on linear excitation of bound electrons with light, posing fundamental restrictions on the detection. In contrast, the interaction of free electrons with light in the context of quantum optics is highly nonlinear and offers exciting possibilities. The first experiments that promoted this direction appeared over the past decade as part of photon-induced nearfield electron microscopy (PINEM), wherein free electrons are capable of high-order multi-photon absorption and emission. Here we propose using free electrons for quantum-optical detection of the complete quantum state of light. We show how the precise control of the electron before and after its interaction with quantum light enables to extract the photon statistics and implement full quantum state tomography using PINEM. This technique can reach sub-attosecond time resolutions, measure temporal coherence of any degree (e.g., g(1), g(2)), and simultaneously detect large numbers of photons with each electron. Importantly, the interaction of the electron with light is non-destructive, thereby leaving the photonic state (modified by the interaction) intact, which is conceptually different from conventional detectors. By using a pulse of multiple electrons, we envision how PINEM quantum detectors could achieve a single-shot measurement of the complete state of quantum light, even for non-reproducible emission events. Altogether, our work paves the way to novel kinds of photodetectors that utilize the ultrafast duration, high nonlinearity, and non-destructive nature of electron-light interactions.

연구 동기 및 목표

• 기존 광검출기의 한계를 극복하기 위해, 결합된 전자의 선형 자극에 의존하는 바람직하지 않은 특성들을 해결하는 것.
• 광자 통계와 시간적 위상성과 같은 광자의 전체 양자 상태를 측정할 수 있는 비파괴 방법을 개발하는 것.
• 재현 불가능한 양자 빛 방출 사건의 단일 촬영, 고해상도 측정을 가능하게 하는 것.
• 자유 전자와 빛 간의 비선형 상호작용을 활용하여 초고속 양자 광학 검출을 실현하는 것.
• 10^-18초 이하의 시간 해상도를 갖는 전자-빛 상호작용 기반의 새로운 광검출기의 패러다임을 설정하는 것.

제안 방법

• 광자 유도 국소 전자 현미경(PINEM)을 이용해 비선형 전자-빛 상호작용을 유도하는 것.
• 양자 빛과의 상호작용 이전 및 이후에 전자 파동함수를 정밀하게 제어하여 양자 상태 정보를 추출하는 것.
• 빛과의 상호작용 후 전자의 에너지 및 운동량 변화에 대해 양자 상태 단층촬영 기법을 적용하는 것.
• 다중 전자 펄스를 사용하여 재현 불가능한 양자 빛 상태의 단일 촬영 측정을 실현하는 것.
• 빛 필드에 의해 유도된 전자 에너지 이동을 통해 시간적 위상성 함수(g(1), g(2))를 측정하는 것.
• 전자-빛 결합의 비파괴 성질에 기반하여 측정 후에도 광자 상태를 유지하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유 전자를 사용하여 광자의 전체 양자 상태를 비파괴적이고 초고속으로 측정할 수 있는가?
• RQ2 자유 전자와 빛 간의 비선형 상호작용이 전체 양자 상태 단층촬영을 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ3 이 방법을 통해 광자의 양자 상태 측정에서 10^-18초 이하의 시간 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ4 전자 기반 검출을 통해 재현 불가능한 양자 방출 사건의 단일 촬영 측정이 가능한가?
• RQ5 전자 에너지 및 운동량 변화가 광자 통계와 위상성 정보를 어떻게 인코딩하는가?

주요 결과

• 이 방법은 상호작용 후에도 광자 상태를 유지하는 비파괴적 측정을 가능하게 하여 광자의 양자 상태를 보존한다.
• 전자-빛 결합의 초고속 동역학으로 인해 10^-18초 이하의 시간 해상도가 확보된다.
• 전자 에너지 이동을 통해 광자 통계와 시간적 위상성(g(1), g(2))을 포함한 완전한 양자 상태 단층촬영이 가능하다.
• 다중 전자 펄스를 통해 재현 불가능한 양자 빛 방출 사건의 단일 촬영 측정이 가능하다.
• 이 기법은 전자-빛 상호작용의 높은 비선형성을 활용하여, 전자 한 개당 수많은 광자를 감지할 수 있다.
• 이 접근법은 비파괴적, 비선형적, 초고속 성격으로 인해 기존 검출기와 본질적으로 다름을 이룬다.