[논문 리뷰] Coherent Nonlinear Feedback of Quantum Systems with Applications to Quantum Optics on Chip

Jing Zhang, Re-Bing Wu외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 10.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 전송선로 공진기 내의 양자 확대기를 활용하여 측정 기반 피드백을 능가하는 강력하고 진정한 비선형 양자 효과를 생성하는 일관된 비선형 피드백 기법을 제안한다. 실험적으로 구현 가능한 케르 유사 비선형성과 비가우시안 마이크로파 장을 생성하며, 이는 서브-푸아송 통계와 광자 반구성을 보이며, 칩 기반 양자 광학의 스케일러블한 구현을 가능하게 한다.

ABSTRACT

In the control of classical mechanical systems, the feedback has been successfully applied to the production of the desired nonlinear dynamics. However, how much this can be done is still an open problem in quantum mechanical systems. This paper proposes a scheme of generating strong nonlinear quantum effects via the recently developed coherent feedback techniques, which can be shown to outperform the measurement-based quantum feedback scheme that can only generate pseudo-nonlinear quantum effects. Such advancement is demonstrated by two application examples in quantum optics on chip. In the first example, we show that the nonlinear Kerr effect can be generated and amplified to be comparable with the linear effect in a transmission line resonator (TLR). In the second example, we show that by tuning the gains of the quantum amplifiers in a TLR coherent feedback network, non-Gaussian light (microwave field) can be generated and manipulated via the nonlinear effects which exhibits fully quantum sub-Poisson photoncount statistics and photon antibunching phenomenon. The scheme opens promising applications in demonstrating strong nonlinear quantum optics on chip, which is extremely weak and inflexible in traditional quantum optical devices.

연구 동기 및 목표

• 측정 기반 양자 피드백의 한계를 극복하여 의사 비선형 효과만을 생성하는 데 목적을 둔다.
• 통합된 양자 시스템에서 강력하고 진정된 비선형 양자 역학을 가능하게 하는 일관된 피드백 프레임워크를 개발하는 데 목적을 둔다.
• 전송선로 공진기를 사용하여 칩 기반 양자 광학에서 비선형 양자 효과의 실용적 응용을 시현하는 데 목적을 둔다.
• 서브-푸아송 광자 통계와 반구성과 같은 양자 서명을 갖는 비가우시안 마이크로파 장을 생성하고 조작하는 데 목적을 둔다.
• 작은 크기의 양자 포토닉 회로에서 스케일러블하고 유연하며 강력한 비선형 상호작용을 가능하게 하는 데 목적을 둔다.

제안 방법

• 측정 붕괴 없이 비선형 역학을 유도하기 위해 전송선로 공진기(TLR)에 연결된 양자 확대기를 사용한 일관된 피드백 네트워크를 구현한다.
• 피드백 루프 내의 양자 확대기의 이득을 조절하여 효과적 비선형성의 강도와 성격을 제어한다.
• 일관된 피드백 아키텍처를 활용해 TLR에서 효과적인 케르 유사 상호작용을 생성하며, 선형 결합 효과와 유사한 강도를 갖는다.
• 피드백 루프를 설계하여 양자 얽힘을 유지하면서 마이크로파 영역에서 비가우시안 상태의 빛을 생성한다.
• 서브-푸아송 광자 통계와 광자 반구성과 같은 양자 서명의 발생을 확인하기 위해 양자 광학 기법을 활용한다.
• 칩 기반 양자 광학 플랫폼에 통합하기 위해 내재된 강건성과 확장성을 갖춘 피드백 네트워크를 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일관된 피드백이 측정 기반 피드백보다 강력한 진정된 비선형 양자 효과를 생성할 수 있는가?
• RQ2 TLR 네트워크에서 일관된 피드백이 전통적인 케르 비선형성의 강도를 얼마나 잘 모방하거나 초월할 수 있는가?
• RQ3 양자 통계적 특징을 갖는 비가우시안 마이크로파 상태를 일관된 피드백을 통해 생성하고 제어할 수 있는가?
• RQ4 피드백 루프 내의 조절 가능한 확대기 이득이 양자 비선형 현상의 발생에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 일관된 피드백 기법이 강력한 비선형성을 갖는 스케일러블한 칩 내 통합된 양자 광학을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• 일관된 피드백 기법은 전송선로 공진기에서 선형 결합 효과와 유사한 강도의 강력한 효과적 비선형 상호작용을 성공적으로 생성한다.
• 이 기법은 측정 기반 피드백이 의사 비선형성만을 생성하는 데 그치는 것과는 달리, 진정된 비선형 양자 효과를 생성한다.
• 서브-푸아송 광자 통계를 갖는 비가우시안 마이크로파 장이 생성되어 광자 수 변동의 양자적 억제를 나타낸다.
• 광자 반구성이 관측되어 생성된 마이크로파 장의 비고전적 성격을 확인한다.
• 피드백 루프 내의 양자 확대기 이득을 조절함으로써 비선형성의 정도와 출력 장의 성질을 동적으로 제어할 수 있다.
• 이 접근법은 전통적인 양자 광학 장치의 본질적 약점과 유연성 부족을 극복하고, 강력하고도 민첩하며 확장 가능한 칩 기반 비선형 양자 광학의 실현을 가능하게 한다.