[논문 리뷰] Quantum Correlations, Entanglement, and Squeezed States of Light in Kerr Optical Frequency Combs

Yanne K. Chembo|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 18.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 준고전 모델에 양자 노이즈를 통합하여 킬러 광학 주파수 커브에서 양자 상관관계, 다중모드 얽힘, 그리고 압축 상태에 대한 이론적 프레임워크를 제공한다. 분석적으로 대칭적인 사이드모드가 최적 조건에서 양자 상관관계를 나타내어 압축을 유도함을 보여주며, 이는 동적 상태, 커브 대역폭 또는 산란 영역과는 무관하다. 특히, 외부 커플링 효율이 압축 효율의 핵심 요소임을 규명하였다.

ABSTRACT

The dynamical behavior of Kerr optical frequency combs is very well understood today from the perspective of the semi-classical approximation. In this article, we provide a theoretical understanding of the phenomena of quantum correlations, multimode entanglement and squeezed states of light that can occur in these frequency combs when quantum noise is accounted for. We prove that for all stationary spatio-temporal patterns, the side-modes that are symmetrical relatively to the central (pumped) mode in the frequency domain display quantum correlations that can lead to squeezed states of light under some optimal conditions that are analytically determined. We show that these quantum correlations can persist regardless the dynamical state of the system (rolls or solitons), regardless of the spectral extension of the comb (number sidemodes), and regardless of the dispersion regime (normal or anomalous). We study with particular emphasis the two principal architectures for Kerr comb generation, namely the add-through and add-drop configurations. We show that in both cases, the ratio between out-coupling and total losses plays a key role as it directly determines the efficiency of the squeezing. We also explicitly determine the phase quadratures leading to photon entanglement, and analytically calculate their quantum noise spectra. The relevance of Kerr combs for quantum information systems at optical telecommunication wavelengths is also discussed.

연구 동기 및 목표

• 준고전 근사 이론을 초월하여 킬러 광학 주파수 커브에서의 양자 상관관계와 얽힘을 이해하기 위해.
• 이러한 커브에서 빛의 압축 상태가 발생하는 조건을 규명하기 위해.
• 추가-통과 및 추가-드롭 구성에서 압축 효율을 결정하는 데 있어 외부 커플링과 총 손실의 역할을 분석하기 위해.
• 광자 얽힘을 유도하는 단위 위상 분량을 특정하고, 그들의 양자 노이즈 스펙트럼을 계산하기 위해.
• 킬러 커브가 광통신 파장에서의 양자 정보 시스템 잠재력을 얼마나 갖추고 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 킬러 주파수 커브의 준고전 모델에 양자 노이즈 접근법을 적용하기 위해.
• 공간-시간 패턴(롤 및 솔리톤)을 분석하여 대칭적인 사이드모드에서의 양자 상관관계를 유도하기 위해.
• 산란 영역 또는 커브 대역폭과는 무관하게 압축을 위한 최적 조건을 분석적으로 규명하기 위해.
• 추가-통과 및 추가-드롭 두 가지 주요 아키텍처를 모델링하여, 외부 커플링 대비 총 손실 비율에 중점을 두기 위해.
• 광자 얽힘과 관련된 위상 분량의 양자 노이즈 스펙트럼을 명시적으로 계산하기 위해.
• 다중모드 얽힘과 압축이 동일한 양자 상관관계에서 어떻게 유도되는지 조건을 유도하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 킬러 주파수 커브에서의 양자 상관관계가 어떤 조건에서 빛의 압축 상태로 이어지는가?
• RQ2 외부 커플링 효율은 추가-통과 및 추가-드롭 구성에서의 압축 생성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 양자 상관관계와 얽힘은 다양한 동적 상태(예: 롤 대비 솔리톤) 및 산란 영역에서 강건한가?
• RQ4 이 시스템에서 광자 얽힘을 유도하는 위상 분량은 무엇인가?
• RQ5 킬러 커브는 광통신 파장에서 얼마나 높은 수준의 양자 정보 응용을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 킬러 주파수 커브의 대칭적 사이드모드에서의 양자 상관관계는 분석적으로 도출된 최적 조건 하에서 빛의 압축 상태로 이어질 수 있다.
• 이러한 양자 상관관계와 그로 인한 압축은 커브의 동적 상태(롤 또는 솔리톤)에 관계없이 강건하다.
• 커브의 스펙트럼 확장(사이드모드 수)은 양자 상관관계 또는 압축의 발생을 제한하지 않는다.
• 추가-통과 및 추가-드롭 구성 모두에서, 외부 커플링 대비 총 손실 비율이 압축 효율을 결정하는 데 핵심적인 요소이다.
• 광자 얽힘을 유도하는 위상 분량이 명시적으로 특정되었으며, 그들의 양자 노이즈 스펙트럼이 분석적으로 계산되었다.
• 킬러 주파수 커브는 강건한 양자 상관관계와 조절 가능한 압축 특성을 바탕으로 광통신 파장에서의 양자 정보 시스템을 위한 실현 가능한 플랫폼으로 입증되었다.