[論文レビュー] Can Induced Coherence without Induced Emission be Non-Quantum?

Mayukh Lahiri, Armin Hochrainer+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2017

Force Microscopy Techniques and Applications被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、非線形結晶を単一光子フォック状態で励起することで、誘導放出が完全に除外される状況でも、量子コherencyが発生することを示している。主な結果は、干渉縞が維持され、同時検出率が恒等的に消えることであり、これは現象が本質的に量子的であり、古典的または半古典的モデルと矛盾することを証明している。

ABSTRACT

Interference of two beams produced at separate biphoton sources was first observed more than two decades ago. The phenomenon, often called coherence without induced emission, has recently gained attention after its applications to imaging, spectroscopy, and measuring biphoton correlations have been discovered. The sources used in the corresponding experiments are nonlinear crystals pumped by laser light. The use of a laser pump makes the occurrence of induced (stimulated) emission unavoidable and the effect of stimulated emission can be observed in the joint detection rate of the two beams. This fact raises the question whether the stimulated emission also lays a role in inducing the coherence. Here we investigate a case in which the crystals are pumped with a single-photon Fock state. We find that coherence is induced even though the possibility of stimulated emission is now fully ruled out. Furthermore, the joint detection rate of the two beams becomes ideally zero and does no longer change with the pump power. We illustrate our results by numerical simulations and by comparisons with experimental findings. Our results rule out any classical or semi-classical explanation of the phenomenon and also imply that similar experiments can be performed with fermions, for which stimulated emission is strictly forbidden.

研究の動機と目的

• 誘導放出の可能性を完全に除外した状況で、誘導放出なしのコherencyが非量子的である可能性を調査すること。
• レーザー励起非線形結晶を用いた従来の実験における誘導放出の役割を検討すること。
• ポンプ光が単一光子フォック状態である場合に、量子コherencyが依然として維持されることを示し、古典的説明を排除すること。
• 単一光子ポンプ条件下で、同時検出率が理想にゼロとなり、ポンプパワーに依存しなくなることを示すこと。
• フェルミ粒子系において同様の効果が実現可能であることを確立すること。ここでフェルミ粒子では誘導放出が厳密に禁止される。

提案手法

• 非線形結晶のポンプ源として単一光子フォック状態を用い、誘導放出の可能性を完全に排除すること。
• 二つの別個の非線形結晶を用いた二光子生成および干渉の理論的モデル化を、量子光学形式を用いて行うこと。
• 単一光子フォック状態励起下でのポンプパワー関数としての同時検出率の数値シミュレーション。
• レーザー励起実験データと比較することで、コherencyの量子的性質を検証すること。
• 同時検出率の挙動を分析し、フォック状態ポンプ下で、それが正確にゼロとなり、ポンプ強度に依存しなくなることを示すこと。
• フェルミ粒子系への議論の拡張は、フェルミ粒子では誘導放出が厳密に禁止されることに着目することで、量子系におけるこの効果の一般性を確認すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 誘導放出が除外された状況で、誘導放出なしのコherencyは、古典的または半古典的理論で説明可能か？
• RQ2 ポンプがレーザーではなく単一光子フォック状態である場合、二光子の同時検出率はどのように変化するか？
• RQ3 単一光子フォック状態ポンプ下でも干渉縞が維持されるか？ もしそうならば、これはコherencyの性質について何を示唆するか？
• RQ4 フェルミ粒子を含む系において、誘導放出が禁止される以上、同様の現象が観測可能か？
• RQ5 観測されたコherencyは本質的に量子的であるが、誘導放出が存在しない状況でも、依然として古典的相関によって生じる可能性はあるか？

主な発見

• ポンプが単一光子フォック状態であっても、誘導放出が完全に除外される状況下でも、誘導放出なしのコherencyが維持されること。
• 二光子の同時検出率が正確にゼロとなり、ポンプパワーに依存せず一定に保たれることで、誘導放出による寄与がないことが示された。
• 観測された干渉縞は、いかなる古典的または半古典的説明とも整合せず、現象が本質的に量子的であることを確認した。
• 結果から、フェルミ粒子系でも同様の効果が実現可能であることが示唆され、この効果の量子的起源をさらに支持する。
• 数値シミュレーションにより理論的予測が確認され、レーザー励起実験の観測結果とよく一致した。
• フォック状態ポンプ下での同時検出率のポンプパワー依存性の不在は、この現象に対する古典的モデルの反証となる強い証拠を提供した。