[論文レビュー] Exceptional Photon Blockade

Ran Huang, Şahin Kaya Özdemir+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2020

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics参考文献 27被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、非線形光的共振器における特異的点（EPs）が、量子相関を極めて制御可能にできることを示している。EPsでは単一光子遮断が誘発され、2次相関関数が最大で4桁の増幅（10^4倍）を示す。一方、EPから離れた領域では光子誘起トンネル効果が支配的である。EP付近では2光子遮断も達成可能であり、非エルミート系における新しい量子効果が明らかになった。

ABSTRACT

Exceptional points (EPs) are special degeneracies in non-Hermitian systems at which both eigenvalues and their corresponding eigenvectors simultaneously coalesce. Despite numerous EP-enabled novel phenomena and applications have been revealed in classical optics, purely quantum EP effects, especially peculiar features of quantum correlations at EPs, has been elusive. Here, for a nonlinear resonator, we show that EPs can lead to up to 4 orders of magnitude difference in optical second-order quantum correlations. As a result, single-photon blockade emerges when the system is at an EP while photon-induced tunneling occurs when the system is far from EPs. Moreover, two-photon blockade can also appear by tuning the system around EPs. Our findings pave the way towards devising exotic quantum EP devices and, on a more fundamental level, shed new light on the effects of non-Hermitian degeneracies on quantum fluctuations and quantum states of photons.

研究の動機と目的

• 非エルミート量子系における特異的点（EPs）の役割を解明し、特異な量子光学現象の設計に寄与すること。
• EPsが純粋な量子領域において強い量子相関、特に光子遮断効果を誘発できるかを調査すること。
• 非エルミート的縮退が量子揺らぎおよび光子状態の統計的性質に与える影響を特定すること。
• EPチューニングによる単一および二光子遮断の実現可能性を実証すること。

提案手法

• 非エルミートハミルトニアンに特異的点（EPs）を実現するように、増幅と減衰を設計した非線形光的共振器をモデル化する。
• EPsの位置と性質を特定するため、システムの固有値と固有状態を解析的および数値的に計算する。
• 2次相関関数 g^(2)(0) を計算して、光子統計と遮断効果を定量的に評価する。
• 非エルミート的パラメータを変化させながらEP付近およびEP上でのシステムをチューニングし、量子相関の挙動を比較する。
• g^(2)(0) ≈ 0 の単一光子遮断領域と g^(2)(0) ≈ 1 の光子誘起トンネル効果領域との遷移に注目する。
• EP付近での2光子入射状態に対するシステム応答を分析することで、2光子遮断を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非線形共振器における特異的点が、量子領域で強い単一光子遮断効果を誘発できるか？
• RQ2 EPにおける非エルミート的縮退が、光子状態の2次相関関数 g^(2)(0) に与える影響は何か？
• RQ3 EPにチューニングした状態とEPから離れた状態との間で、量子相関の性質はどのように異なるか？
• RQ4 非線形共振器におけるEPチューニングにより2光子遮断を実現できるか？
• RQ5 光子遮断の強度は、特異的点に近づくに従ってどのように変化するか？

主な発見

• 特異的点において、2次相関関数 g^(2)(0) はほぼゼロにまで低下し、強い単一光子遮断を示している。
• EPから離れた領域では、g^(2)(0) ≈ 1 となる光子誘起トンネル効果が顕在し、遮断は観察されない。
• EP領域と非EP領域との間で g^(2)(0) に最大4桁の差が生じ、量子統計の極めて強い制御が可能であることが示された。
• EP付近にチューニングした際、2光子遮断が観測され、相関効果の強化が裏付けられた。
• EPにおける単一光子遮断の出現は、固有値と固有状態の重合に起因し、非エルミート的縮退の特徴的性質である。
• 本研究の結果は、非線形共振器におけるEPが、光の特異な量子状態を設計するためのプラットフォームとして有効であることを示している。