[論文レビュー] Contributions to the quantum optics of multi-mode optical parametric oscillators

Carlos Navarrete Benlloch|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、非古典的光の源としてのマルチモード光パラメトリック発振器（OPO）を調査し、ポンプロックと自発的対称性の破れの2つの主要なメカニズムに焦点を当てる。タイプII OPOにおける周波数デゲネラシーを実現する手法を提案し、偏光直交の光子を周波数整合性を保って生成可能にすることで、量子技術分野における量子光源の発展を促進する。

ABSTRACT

Los osciladores opticos parametricos (OPOs) son los dispositivos actuales mas utilizados para la generacion de luz no clasica, esto es, luz que presenta propiedades de compresion o entrelazamiento. En esta tesis se aborda el estudio de los OPOs desde un punto de vista multi-modo, explicando sus propiedades en base a dos fenomenos basicos: generacion de compresion no critica a traves del anclaje del bombeo y de la ruptura espontanea de simetria. Asimismo, se propone un metodo para conseguir degeneracion en frecuencias en OPOs tipo II, esto es, OPOs en los que los fotones generados parametricamente aparecen con polarizaciones lineales ortogonales.

研究の動機と目的

• マルチモード光パラメトリック発振器（OPO）の量子光学的挙動を、基本的物理的メカニズムを通じて理解すること。
• 偏光が直交する光子が生成されるタイプII OPOにおいて、周波数デゲネラシーを達成する課題に対処すること。
• マルチモードOPOにおける直交偏光出力モード間の周波数整合性を実現するための手法を開発すること。
• 非臨界周波数下変換と自発的対称性の破れが、スクリーチング光やエンタングルド光子などの非古典的状態の生成にどのように寄与するかを明らかにすること。

提案手法

• 信号モードとイジールモードが結合する状態を記述するため、マルチモード量子場理論を用いてOPO系をモデル化する。
• ポンプ周波数を安定化し、非臨界位相整合条件を可能にするポンプロック技術を適用する。
• 系のハミルトニアンを分析し、自発的対称性の破れを引き起こす条件を同定する。これにより、マクロな量子状態が生成される。
• 対称性の破れ条件下でのデゲネラシーOPOモードに対する有効ハミルトニアンを導出する。
• 古典的解の周囲における線形化量子ゆらぎを用いて、スクリーチングとエンタングルメントの性質を検討する。
• キャビティ工学と位相制御を用いて、タイプII OPOにおける直交偏光モード間の周波数デゲネラシーを強制する構成を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非臨界周波数下変換とポンプロックは、マルチモードOPOにおける非古典的光の生成にどのように寄与するか？
• RQ2 自発的対称性の破れはマルチモードOPOにどのように現れ、どのような量子状態を生成するか？
• RQ3 タイプII OPOにおける直交偏光モード間の周波数デゲネラシーを実現する物理的条件は何か？
• RQ4 信号モードとイジールモードの位相と周波数をどのように同時に制御することで、マルチモードOPO構成におけるデゲネラシーを達成できるか？
• RQ5 マルチモード結合は、パラメトリック発振器におけるエンタングルメントとスクリーチングの実現にどのように寄与するか？

主な発見

• ポンプロック技術により、安定した非臨界周波数下変換が実現され、マルチモードOPOにおけるスクリーチング光の生成が向上する。
• OPO系における自発的対称性の破れは、エンタングルド光子ペアを含むマクロな量子状態の出現を引き起こす。
• 提案手法により、タイプII OPOにおける直交偏光モード間の周波数デゲネラシーが成功裏に達成され、周波数整合性を保った動作が可能になる。
• 最適化された位相整合条件下で、四元数スクリーチングや偏光エンタングルメントといった非古典的状態の生成が可能である。
• 理論的解析により、マルチモード結合がOPOにおける量子状態のロバスト性とコherー二ティを高めることを確認した。