[論文レビュー] Entanglement and non-classical states of light in a strong-laser driven solid-state system

Javier Rivera-Dean, Philipp Stammer+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、拡散電子再結合を伴う高次高調波生成（HHG）を用いて、強力なレーザー駆動下の固体系において非古典的光および電子-場もつれを生成することを示している。主な貢献は、条件付けを必要とせず、固体内の準位内および準位間ダイナミクスが自然に電子と光のもつれを誘導することであり、これによりコンactな固体基盤の量子光源が実現可能となる。

ABSTRACT

The development of sources delivering non-classical states of light is one of the main needs for applications of optical quantum information science. Here, we demonstrate the generation of non-classical states of light using strong-laser fields driving a solid-state system, by using the process of high-order harmonic generation, where an electron tunnels out of the parent site and, later on, recombines on it emitting high-order harmonic radiation, at the expense of affecting the driving laser field. Since in solid-state systems the recombination of the electron can be delocalized along the material, the final state of the electron determines how the electromagnetic field gets affected because of the laser-matter interaction, leading to the generation of entanglement between the electron and the field. These features can be enhanced by applying conditioning operations, i.e., quantum operations based on the measurement of high-harmonic radiation. We study non-classical features present in the final quantum optical state, and characterize the amount of entanglement between the light and the electrons in the solid. The work sets the foundation for the development of compact solid-state-based non-classical light sources using strong-field physics.

研究の動機と目的

• 強力場レーザー励起を用いた固体系における非古典的光状態の生成を調査すること。
• 固体内における電子の拡散化および再結合ダイナミクスが、電子と電磁場とのもつれにどのように寄与するかを明らかにすること。
• 原子系から固体系のHHG系へと量子光学フレームワークを拡張し、非古典的性質の内在的要因を同定すること。
• 準位内および準位間遷移が量子光学状態の形状をどのように規定し、もつれを可能にするかを分析すること。
• 強力場物理学を応用したコンactでスケーラブルな非古典的光源の基盤を構築すること。

提案手法

• 電子のダイナミクスを記述するため、ワニエ状態を用いた多体量子フレームワークで固体系をモデル化すること。
• 時間に依存する摂動論を1次まで適用し、電子-場系の最終量子状態を導出すること。
• 局所的再結合と非局所的再結合の区別をし、非局所的再結合がもつれを引き起こすことを特定すること。
• 光学場および電子状態のレーザー駆動下の時間発展を、位相演算子 $\hat{\mathcal{D}}$ で記述すること。
• 電子が異なる格子サイトで再結合する状況に応じた、真空状態と1光子状態の重ね合わせとしての最終状態を導出すること。
• 外部の条件付け操作を要せず、調査のためのプローブとして高調波放射測定を用いて量子状態を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力なレーザー駆動による高次高調波生成を用いて、固体系で非古典的光状態を生成できるか？
• RQ2 電子が結晶格子全体に拡散化することで、電子と放出光とのもつれにどのような影響を与えるか？
• RQ3 準位内および準位間遷移が、光場内の量子相関を生成する上で果たす役割は何か？
• RQ4 測定に基づく条件付けを必要とせず、固体内で自然に電子と光のもつれが生じるか？
• RQ5 固体系のHHGシステムが、非古典的光のコンactでスケーラブルな光源としてどの程度実現可能か？

主な発見

• 外部の条件付けを要せず、強力なレーザー駆動による高次高調波生成を介して、固体系で非古典的光状態が生成可能である。
• 電子が初期位置とは異なる格子サイトで再結合する非局所的再結合が、電子と電磁場とのもつれを誘導する。
• 摂動的状態発展によって記述される、異なるワニエサイトでの電子再結合の重ね合わせが、最終量子状態のもつれを生じる。
• 特に準位間および準位内遷移を含む多体系量子ダイナミクスが、測定可能な量子相関を持つ非古典的光学状態を生成する。
• 理論的分析により、もつれが拡散再結合プロセスに内在的に起因することを示し、これによりロバストでスケーラブルな性質を有することが判明した。
• 本研究は、強力場物理学とHHGを応用したコンactで固体基盤の非古典的光源の実現に向けた道筋を確立した。