[論文レビュー] Experimental analysis of energy transfers between a quantum emitter and light fields

Ilse Maillette de Buy Wenniger, S. E. Thomas+11 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、半導体量子ドットを有するマイクロキャビティ内に配置された量子発光体と光場との間のユニタリおよび相関エネルギー移動を、実験的に測定している。自発的放出中に自己ホモダイン測定を実施することで、ユニタリエネルギー移動は全エネルギーの約50%に制限され、デコherenceによって減少することが観測され、また、古典的場との干渉によって、エネルギー交換の量子純度依存性が明らかにされた。

ABSTRACT

Energy transfer between quantum systems can either be achieved through an effective unitary interaction or through the generation of entanglement. This observation defines two types of energy exchange: unitary and correlation energy. Here we propose and implement experimental protocols to access these energy transfers in interactions between a quantum emitter and light fields. Upon spontaneous emission, we measure the unitary energy transfer from the emitter to the optical field and show that it never exceeds half of the total energy and is reduced when introducing decoherence. We then study the interference of the emitted field and a laser field at a beam splitter and show that the energy transfers quantitatively depend on the quantum purity of the emitted field.

研究の動機と目的

• 量子エネルギー移動過程におけるユニタリと相関エネルギーの違いを実験的に探査すること。
• 量子発光体から光子場への自発的放出中に移動するユニタリエネルギーの割合を測定すること。
• 閉じた量子系における量子コherー二ンと純度がエネルギー交換に与える影響を調査すること。
• エネルギー移動効率が発光場の量子的性質に依存することを実験的に証明すること。
• 自発的放出における最大50%のユニタリエネルギー移動制限に関する理論予測を検証すること。

提案手法

• 可変周波数のInGaAs/GaAs量子ドットを光学的マイクロキャビティに埋め込んだ、チューナブルな量子発光体の使用。
• 発光光子とその遅延コピーとの干渉を用いてユニタリエネルギー割合を測定する自己ホモダイン干渉計の実装。
• 同じレーザー源から得たコherent古典的場と、自発的放出された光子場をビームスプリッタで干渉させる。
• 両方の干渉設定における出力強度を、超伝導ナノワイヤー単一光子検出器（SNSPDs）を用いて記録する。
• 温度調整による量子発光体のコherー二ン制御を用いて、デコherence効果がエネルギー移動に与える影響を調査する。
• 2次相関関数および不変性指標を用いた光子状態純度の定量的分析。

Figure 1: Measuring energetic transfers. (a) Sketch of the first scenario studied: energetic transfers in spontaneous emission, from a quantum emitter “q” to the vacuum of the electromagnetic field “f”. (b) The second scenario studied: energetic transfers from the spontaneously emitted field to a cl

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自発的放出中に移動する全エネルギーのうち、ユニタリエネルギーはどの程度で、理論的50%の制限に達するか？
• RQ2 発光体の温度上昇によって誘発される環境的デコherenceは、ユニタリエネルギー移動割合にどのように影響するか？
• RQ3 発光光子場の量子純度が、古典的場とのエネルギー交換にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 量子場とコherent古典的場との干渉は、相関エネルギー成分を定量的に明らかにできるか？
• RQ5 1次および2次場相関は、エネルギーのユニタリおよび相関成分への分割とどのように関係するか？

主な発見

• 自発的放出中の実験的ユニタリエネルギー移動は、全エネルギーの最大約50%に達し、理論的予測と整合的である。
• 発光体の温度上昇に伴いユニタリエネルギー割合が減少し、デコherenceとエネルギー移動におけるコherー二ンの喪失の直接的な関連が示された。
• 古典的場との干渉におけるエネルギー移動効率は、発光光子場の量子純度に定量的に依存しており、2次相関測定によって確認された。
• デコherence下でのユニタリエネルギー移動の減少は、2次強度相関の増加と相関しており、単一光子性の喪失を示唆している。
• 発光場の不変性および数的純度の測定値は、エネルギー分割と強く相関しており、理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。
• 実験的設定により、閉じた二粒子量子系におけるユニタリおよび相関エネルギー成分の分離と定量的評価に成功した。

Figure 2: Energy transfer during spontaneous emission. (a) Total energy transferred from the qubit “q” to the vacuum of the electromagnetic field “f” $\Delta\mathcal{E}_{\mathrm{q,f}}$ (diamonds), unitary energy $E^{\mathrm{q,f}}_{\mathrm{unit}}$ (open circles) and correlation energy $E^{\mathrm{q,f