[論文レビュー] Anti-Hong-Ou-Mandel interference by coherent perfect absorption of entangled photons

Anton N. Vetlugin, Ruixiang Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 57被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、損失を示すビームスプリッタにおける共鳴完全吸収を活用することで、もつれ光子対における反ホン＝オウ＝マンド干渉を実証した。通常のボソン的凝集を反転させ、反凝集に変換した。実験では、対称的（ボソン的）状態が反凝集を示す一方で、反対称的（フェルミオン的）状態が凝集を示すことが確認され、1つの光子プラットフォーム上で量子統計を制御可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

Two-photon interference, known as the Hong-Ou-Mandel effect, has colossal implications for quantum technology. It was observed in 1987 with two photodetectors monitoring outputs of the beamsplitter illuminated by photon pairs: the coincidence rate of the detectors drops to zero when detected photons overlap in time. More broadly, bosons (e.g., photons) coalesce while fermions (e.g., electrons) anti-coalesce when interfering on a lossless beamsplitter. Quantum interference of bosons and fermions can be tested in a single - photonics platform, where bosonic and fermionic states are artificially created as pairs of entangled photons with symmetric and anti-symmetric spatial wavefunctions. We observed that interference on a lossy beamsplitter, or a subwavelength coherent absorber reverses quantum interference in such a way that bosonic states anti-coalesce while fermionic states exhibit coalescent-like behavior. The ability to generate states of light with different statistics and manipulate their interference offers important opportunities for quantum information and metrology.

研究の動機と目的

• 標準のホン＝オウ＝マンド効果が崩壊する損失を示す光学素子における量子干渉を調査すること。
• 共鳴完全吸収が、もつれ光子対における通常のボソン的干渉行動を反転させることを検証すること。
• もつれ光子を用いてボソン的およびフェルミオン的類似の量子統計を両方設計・観測可能なプラットフォームを実証すること。
• 損失環境における量子干渉を操作することで、量子計測および情報分野における新応用を可能にすること。

提案手法

• 実験では、もつれ光子対の共鳴完全吸収を達成するために、波長より小さいスケールの共鳴吸収体を用いた。
• 対称的および反対称的な空間波動関数を持つもつれ光子対を生成し、ボソン的およびフェルミオン的統計を模倣した。
• 出力ポートでの干渉を、単一光子検出器を用いて coincidence 率をモニタリングすることで測定した。
• 入射光が反射や透過を伴わず完全に吸収される状態、すなわち共鳴完全吸収の条件下でシステムを設計した。
• 対称的状態と反対称的状態の両方における coincidence 率を比較することで、量子干渉を分析した。
• 理論的モデリングには、損失を示すビームスプリッタを通る2光子状態の時間発展を記述するための量子光物理学の形式を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴完全吸収は、もつれ光子干渉における標準的ホン＝オウ＝マンド効果を反転させることができるか？
• RQ2 損失を伴う干渉は、もつれ光子の量子統計にどのように影響するか？
• RQ3 エンジニアリングされたもつれを用いて、1つの光子プラットフォームでボソン的およびフェルミオン的類似の振るまいを両方観測可能か？
• RQ4 対称的および反対称的波動関数が、共鳴吸収下での干渉結果を決定づける役割を果たすか？
• RQ5 損失環境において、ボソンのための反凝集を実現するために量子統計を操作可能か？

主な発見

• 共鳴完全吸収下で、対称的（ボソン的）もつれ状態の coincidence 率はゼロに低下し、反凝集を示していることが判明した。
• 反対称的（フェルミオン的類似）もつれ状態は、強化された coincidence 率を示し、凝集的挙動に類似した振るまいを示した。
• 設計波長において、ほぼ完全な吸収（100％に近い）が達成されており、共鳴完全吸収が確認された。
• ボソンのための反凝集とフェルミオンのための凝集という、量子統計の逆転が実験的に観測された。
• 結果として、光学素子の損失プロファイルをエンジニアリングすることで、量子干渉統計を制御可能であることが示された。
• 観測された反ホン＝オウ＝マンド効果は、ロバストで再現可能であり、損失系における逆転干渉の理論的予測を確認した。