[論文レビュー] Controlling nonlinear photon-photon interaction via a two-level system

Zhiyuan Dong, Guofeng Zhang|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 68被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、二準位系を用いた光子-光子相互作用の制御のための2つのメカニズムを提案する：(1) 1本のチャネルに初期的に相関のない2つの光子のパルスプロファイルを整形すること、(2) 別々の入力チャネルから入射する逆向きに伝搬する光子をエンタングルさせること。主な結果は、入力パルスが同一である場合に、顕著なホン＝オウ＝マーテル型の2光子干渉が観測可能な非線形光子-光子相互作用の実証である。

ABSTRACT

The problem of photon-photon interaction controlled by a two-level system is studied in this paper. Specifically, we have proposed two scenarios: Case 1, how a two-level system changes the pulse shapes of two initially uncorrelated input photons in a single input channel; and Case 2, how a two-level system entangles two counter-propagating photons, one in each input channel. The steady-state output field states for both cases are derived explicitly. For Case 1, the Wigner spectrum is used to exhibit the interesting properties of the output field state. For Case 2, the nonlinear property of the interaction between the two-level system and the two input photons has been revealed by the probabilities of observing photons in the output channels. In addition, two-photon interference, similar to Hong-Ou-Mandel effect, occurs when the two input photons are chosen with the same pulse shape.

研究の動機と目的

• キャビティまたは波ガイド系における二準位系が光子間の非線形相互作用をどのように媒介するかを調査すること。
• 二準位系に結合することで、2つの相関のない光子が1つのチャネルに入射する際の入力光子パルス形状の変換を分析すること。
• 共有される二準位系を通じて、別々の入力チャネルから注入される2つの逆向きに伝搬する光子間のエンタングルメント生成を探索すること。
• Wignerスペクトログラムと出力確率分布を用いて、二準位系の多光子入力に対する非線形応答を特徴付けること。
• 2光子干渉（ホン＝オウ＝マーテル効果に類似）が発現する条件を同定すること。

提案手法

• 二準位系が線形波ガイドまたはキャビティ内の光モードに結合するキャビティ-QEDまたは波ガイド-QEDアーキテクチャを用いて、系をモデル化すること。
• 単一チャネルおよび二重チャネル入力設定の両方について、定常状態の出力場状態を解析的に導出すること。
• ケース1における出力場の非古典的特徴を可視化・分析するために、Wigner擬似確率分布を用いること。
• ケース2における2光子検出の出力チャネル確率を計算し、光子-光子相互作用の非線形性を明らかにすること。
• 2つの入力光子のパルス形状を同一にしたシミュレーションを実施し、ホン＝オウ＝マーテル効果に類似した干渉効果を観測すること。
• 光量子力学的形式を用いて、光子と二準位系の結合系の散乱行列およびユニタリ時間発展を記述すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二準位系は、1つの光子チャネルに注入された2つの相関のない光子の時間的プロファイルをどのように変化させるか？
• RQ2 二準位系は、別々の入力チャネルから入射する2つの逆向きに伝搬する光子間のエンタングルメントを生成できるか？
• RQ3 二準位系が媒介する有効な光子-光子相互作用の性質は何か？また、線形散乱とはどのように異なるか？
• RQ4 この系において、ホン＝オウ＝マーテル効果に類似した2光子干渉が発現する条件は何か？
• RQ5 単一入力シナリオにおける出力場のWignerスペクトルは、系の非線形ダイナミクスをどのように反映するか？

主な発見

• 単一チャネルシナリオにおいて、Wignerスペクトルを通じて、二準位系が入力光子パルスの形状に顕著な再形状を引き起こすことが明らかとなり、強い非線形ダイナミクスを示している。
• 二重チャネル設定では、二準位系が逆向きに伝搬する光子間のエンタングルメントを生成しており、非自明な出力確率分布によって確認されている。
• 出力確率が入力光子の相対位相および形状に依存するという事実を通じて、非線形光子-光子相互作用が実証された。
• 2つの入力光子のパルス形状が同一である場合、ホン＝オウ＝マーテル効果に類似した可視度の干渉が観測された。
• 定常状態の出力場状態が明示的に導出され、系の応答を完全に解析的に記述することができた。
• 直接的な光子-光子結合がなくても、光子の束縛や量子相関といった非古典的特徴が系に現れることが示された。