[논문 리뷰] Nonclassicality in non-degenerate hyper-Raman processes

Kishore Thapliyal, Anirban Pathak외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 12.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 다광자 펌프 비일치성 허브라마 프로세스를 기술하는 완전히 양자역학적 해밀토니안에 대해 펌프, 스토퍼스, 반스토퍼스, 진동 모드 간의 상호모드 압축, 비결합, 얽힘과 같은 풍부한 비고전적 현상을 드러내는 정서적 해석적 해를 제시한다. 주요 기여는 비고전성—특히 상호모드 상관관계와 고차원 효과—이 신호 모드 뿐 아니라 다수의 비일치성 펌프 모드 간의 상호작용을 통해 발생한다는 것을 입증한 것이다.

ABSTRACT

A perturbative analytic operator solution of a completely quantum mechanical Hamiltonian of multi-photon pump non-degenerate hyper-Raman process is obtained. It is shown that the obtained solution is general in nature as the solutions of non-degenerate hyper-Raman and stimulated Raman processes can be obtained as special cases of the present solution. The analytic solutions obtained here are used to investigate the nonclassical properties of the different modes in the stimulated, spontaneous and partially spontaneous multi-photon pump non-degenerate hyper-Raman processes. The nonclassical nature of these processes is witnessed by means of single mode and intermodal quadrature squeezing, intermodal entanglement of different orders, lower order and higher order photon antibunching. Interestingly, manifesting the multiphoton nature of the pump modes, a bunch of nonclassicality involving them are observed due to self-interaction of various pump modes.

연구 동기 및 목표

• 다양한 펌프 모드를 포함하는 다모드 비일치성 허브라마 프로세스의 완전한 양자역학적 해밀토니안에 대한 일반적이고 정서적 해석적 해를 개발하기.
• 자극, 자발, 부분 자발적 상태에서 모든 모드(펌프, 스토퍼스, 반스토퍼스, 진동) 간의 비고전적 성질—압축, 비결합, 얽힘—을 조사하기.
• 다수의 비일치성 펌프 모드가 상호작용을 통해 비고전적 효과를 생성하는 역할을 탐색하며, 기존의 라만 프로세스를 초월하기.
• 비고전적 특성들이 비일치성 및 표준 라만 프로세스에서 관측된 것들이 본 해의 극한 경우로 복원됨을 확립하기.
• 특히 펌프 모드를 포함한 상호모드 상관관계에서의 위상 의존성 및 주파수 의존성을 규명하기.

제안 방법

• 시간 순서 정렬 연산자 전개 기법을 사용하여 $ k $개의 비일치성 펌프 모드를 포함하는 다모드 비일치성 허브라마 해밀토니안에 대한 정서적 해석적 해를 유도한다.
• 자극, 자발, 부분 자발적 과정의 세 가지 상태에서 비고전적 성질을 분석하기 위해 해를 적용한다.
• 단일 모드 및 상호모드 복사압축, 저차 및 고차원 광자 비결합, 다양한 순서의 상호모드 얽힘 등 여러 기준을 사용해 비고전성을 평가한다.
• 적절한 극한에서 본 해가 자극 및 자발 라만 프로세스, 비일치성 허브라마 프로세스의 알려진 결과로 축소됨을 입증한다.
• 비고전성의 의존도를 펌프 주파수, 광자 수, 펌프 모드 간의 상대 위상에 대해 분석한다.
• 미래 작업에서 위상함수(위상분포함수)를 사용해 비고전적 행동을 추가로 특성화할 예정이나, 본 논문에서는 계산하지 않는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 비일치성 펌프 모드를 포함하는 비일치성 허브라마 프로세스에 대해 일반적인 양자역학적 해를 유도할 수 있는가?
• RQ2 다양한 자극 상태에서 펌프, 스토퍼스, 반스토퍼스, 진동 모드에서 압축, 비결합, 얽힘과 같은 비고전적 성질이 어떻게 나타나는가?
• RQ3 다수의 비일치성 펌프 모드가 상호작용함으로써 단일 펌프 또는 비일치성 경우에서 관측되지 않는 비고전성이 어떻게 생성되는가?
• RQ4 자발 상태에서 상호모드 압축 및 얽힘과 같은 비고전적 특성들이 어느 정도 유지되는가?
• RQ5 펌프 모드의 위상과 주파수는 관측되는 비고전성의 정도와 유형에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 해석적 해는 일반적이며 자극 및 자발 라만 프로세스, 비일치성 허브라마 프로세스의 알려진 결과를 극한 경우로 복원한다.
• 자발 상태에서도 펌프 모드 간의 상호모드 압축, 비결합, 얽힘이 관측되어 펌프 모드 상호작용에 기인한 내재된 비고전성이 있음을 시사한다.
• 복합 펌프-펌프 모드에서는 모든 연구된 비고전적 성질—상호모드 압축, 비결합, 저차 및 고차원 얽힘—을 나타낸다.
• 펌프-스토퍼스, 펌프-진동, 펌프-반스토퍼스 복합 모드에서는 상호모드 압축과 비결합이 관측되며, 펌프-반스토퍼스 모드는 고차원 얽힘도 나타낸다.
• 펌프 모드의 비고전성은 펌프 주파수, 광자 수, 비일치성 펌프 모드의 수에 따라 달라지며, 상호모드 비결합 및 얽힘은 위상 의존적이다.
• 시스템은 다모드 비고전성을 나타내며, 자기상호작용으로 인해 모든 펌프 모드가 $ k $-편재 얽힌 상태를 형성할 것으로 예상되며, 이는 임의의 펌프 쌍 간의 관측된 얽힘과 일치한다.