[논문 리뷰] Waveguide quantum electrodynamics: collective radiance and photon-photon correlations

A. S. Sheremet, Mihail Petrov외 3명|Figshare|2021. 03. 11.

Quantum Information and Cryptography인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 유도된 광자와 결합된 1차원 배열의 양자 발광체에서의 집합적 빛-물질 상호작용을 중점적으로 다루며, 파이프웨이브 양자 전기역학(WQED)에 대한 종합적인 이론적 및 실험적 리뷰를 제공한다. 공학적으로 설계된 발광체 배열이 초광선 및 저광선 상태, 결합된 광자 모드, 강한 광자-광자 상관관계를 유도하는 방식을 설명하며, 원자, 초전도체, 고체 상태 플랫폼에서의 주요 진전을 입증한다.

ABSTRACT

This review describes the emerging field of waveguide quantum electrodynamics (WQED) concerned with the interaction of photons propagating in a waveguide with localized quantum emitters. The collective emitter-photon interactions can lead to both enhanced and suppressed coupling compared to the case of independent emitters. Here, we focus on guided photons and ordered arrays, leading to super- and sub-radiant states, bound photon states and quantum correlations with promising quantum information applications. We highlight recent groundbreaking experiments performed with different quantum platforms, including cold atoms, superconducting qubits, semiconductor quantum dots, quantum solid-state defects, and we provide a comprehensive introduction to theoretical techniques to study the interactions and dynamics of these emitters and the photons in the waveguide.

연구 동기 및 목표

• 파이프웨이브 양자 전기역학(WQED) 분야에서 최근의 이론적 및 실험적 진전을 통합하여 집합적 발광체-광자 상호작용을 강조한다.
• 파이프웨이브에 배열된 정렬된 양자 발광체가 초광선 및 저광선을 통해 강화되거나 억제된 빛-물질 결합을 어떻게 가능하게 하는지 설명한다.
• 1차원 시스템에서의 광자-광자 상관관계, 결합 상태, 양자 상관관계를 이해하기 위한 통합된 이론적 프레임워크를 제공한다.
• 냉각 원자, 초전도 큐비트, 양자 점 등 최첨단 실험 플랫폼을 비교하여, 조절 가능한 광자 군집, 반군집 및 양자 메모리 기능을 입증한다.
• 입출력 형식, 베티 앤티츠, 기능적 적분 방법을 포함한 빛-물질 상호작용을 모델링하기 위한 이론적 도구 상자를 상세히 제공한다.

제안 방법

• 파이프웨이브 모드와 국소화된 발광체를 포함한 개방계 양자 시스템을 모델링하기 위해 입출력 형식(부록 A)을 사용한다.
• 정기 배열에서의 반사 및 투과 계수를 계산하기 위해 전이 행렬 방법(부록 B)을 적용한다.
• 다체 광자-발광체 산란 문제를 해결하기 위해 베티 앤티츠(부록 D) 및 기능적 적분 접근법(부록 E)을 활용한다.
• 이광자 산란 과정을 위해 전자(부록 F) 및 엑시톤(부록 G) 표현에서의 그린 함수 기법을 사용한다.
• 무한한 배열에서 장거리 전기 dipole-dipole 상호작용을 평가하기 위해 에워르 합산(식 201) 및 플로케 방식 합산(참고 문헌 [29])을 적용한다.
• 효과적 해밀토니안과 분극화율(식 199)을 유도하여 집합적 결합과 재정의된 발광체 반응을 기술한다.

Figure 1: Schematic illustration of light-matter interaction in various atomic ensembles. (a) Light beam propagation and scattering in a disordered dilute atomic array in free space. (b) Interaction of an ordered atomic array with the guided photon mode. Subradiant and bright collective array excita

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파이프웨이브에 결합된 1차원 발광체 배열에서 초광선 및 저광선과 같은 집합적 효과는 어떻게 발생하는가?
• RQ2 파이프웨이브 QED 시스템에서 강한 광자-광자 상관관계와 결합 상태를 가능하게 하는 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 회색 결합과 스핀-운동량 락킹은 방향성 있는 광자 방출과 비상호적 빛-물질 상호작용을 어떻게 이끌어내는가?
• RQ4 파이프웨이브 배열에서 초강력 결합과 토폴로지 광자 모드의 이론적 및 실험적 징후는 무엇인가?
• RQ5 베티 앤티츠 및 기능적 적분과 같은 이론적 기법은 파이프웨이브 QED에서의 다체 역학을 기술하기 위해 어떻게 적응될 수 있는가?

주요 결과

• 초광선 및 저광선 상태는 파이프웨이브에 결합된 원자 배열에서 실험적으로 관측되었으며, 저광선 상태는 장수명 양자 메모리 기능을 가능하게 한다(섹션 IV.4).
• 원자 배열에서 조절 가능한 광자 군집 및 반군집이 입증되었으며, 이는 수요에 따라 단일 광자 및 얽힌 광자 생성을 가능하게 한다(섹션 IV.1).
• 이론적 모델링은 파이프웨이브에 의해 매개되는 효과적 인력 상호작용으로 인해 결합 광자 상태가 형성되며, 에너지 분리가 배열 기하학에 따라 달라진다는 것을 보여준다.
• 무한한 배열에서 집합적 결합을 위한 격자 합은 수렴 속도가 느리지만, 에워르 및 플로케 합산 기법(식 201–207)을 통해 분극화율과 반사 계수에 대해 유한하고 정확한 결과를 도출할 수 있다.
• 효과적 상호작용 상수(식 199)는 근접장(S/2 ≈ 4.515/a³) 및 중간장(S′ ≈ −3.90/a) 기여를 포함하며, 정규화를 통해 발산을 상쇄한다.
• 배치 간격 a < λ 인 배열에 대해 반사 계수 r = 2πiω/(ca²)·α̃ 및 투과 계수 t = 1 + r 가 유도되었으며, 이는 발광체 간격과 결합 강도에 강하게 의존한다.

Figure 2: (a) Comparison of waveguide coupling efficiency $\beta$ and number of emitters $N$ for different platforms of waveguide quantum electrodynamics. (b–e) schematic illustrations of different platforms reproduced from Refs.: (b) [ 204 ] ,(c) [ 83 ] ,(d) [ 285 ] , (e) [ 56 ] , (f) [ 93 ] , (g)