[論文レビュー] Quantum limit of photon-photon interactions using electromagnetically induced transparency

Michael Werner, Ataç Îmamoğlu|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 1999

Quantum optics and atomic interactions参考文献 2被引用数 2

ひとこと要約

本稿は、キャビティ電磁誘導透過（EIT）における光子-光子相互作用を調査し、単一原子系が最大の単一光子結合を達成するため、散逸のない相互作用が最も強くなることを示している。一方、多数原子系では分散の増加により性能が低下し、光子ブロッキングは強い結合条件下でも単一原子の場合にのみ完全に実現される。

ABSTRACT

Quantum limit of dissipation-free photon-photon interactions at the few photon level is studied in the context of giant Kerr nonlinearities in cavity electromagneti cally induced transparency (EIT). It is shown that photon-photon interaction is largest when the cavity contains a sing le atom. In contrast to conventional nonlinearities, increasing the number of atoms cannot in crease the interaction strength but will in general degrade the performance by enhancing di spersion. In the non-perturbative regime, the single-atom photon-photon interaction can be limited by lossy states excited from long-lived EIT states. Asymptotically, in the strong coupling limit, photon-photon interaction is determined by the single photon-atom coupling strength. Photon blockade occurs for single atoms but only partial blockade can occur for low dispersion and not at all in the high-dispersion limit of the multi-atom case.

研究の動機と目的

• 散逸のない光子-光子相互作用の基本的量子限界を、少数光子レベルで特定すること。
• キャビティ内の原子数が、巨大なKerr非線形性を介して光子-光子相互作用の強度とコherenceに与える影響を調査すること。
• 分散および損失状態が、多数原子系における相互作用性能を低下させる役割を分析すること。
• 光子ブロッキングが発生する条件を特定し、原子系サイズおよび結合状態に依存する仕組みを同定すること。

提案手法

• 強い光-物質結合を記述する非摂動的アプローチを用いて、キャビティ-EIT系をモデル化すること。
• EIT系のドレスドル状態の図式から導かれる有効な光子-光子相互作用ハミルトニアンを分析すること。
• 強い結合限界における相互作用強度の主要な決定要因である単一光子-原子結合強度を評価すること。
• 集団的減衰および位相崩壊率を通じて、原子系サイズが分散およびデコherenceに与える影響を評価すること。
• ドレスドル状態形式を用いて、長寿命EIT状態から励起される損失状態を同定し、相互作用の忠実度を制限する要因を特定すること。
• 光子ブロッキング基準を適用して、単一および多数原子構成における非線形性の度合いを評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 キャビティEIT系における散逸のない光子-光子相互作用の基本的量子限界は何か？
• RQ2 キャビティ内に原子数を増加させると、光子-光子相互作用の強度とコherenceにどのような影響を与えるか？
• RQ3 光子ブロッキングはどのような状態で発生し、原子系サイズおよび分散にどのように依存するか？
• RQ4 長寿命EIT状態から励起される損失状態が、相互作用効率を制限する役割を果たすか？
• RQ5 単一光子-原子結合強度が、強い結合限界における相互作用強度をどのように決定するか？

主な発見

• キャビティ内に単一原子が存在する場合に、散逸のない光子-光子相互作用が最も強くなる。原子数を増やすと分散が増加し、性能が劣化する。
• 光子ブロッキングは、単一原子の場合にのみ完全に実現され、多数原子系では分散の程度に応じて部分的または完全にブロッキングが発生しない。
• 非摂動的状態では、長寿命EIT状態から励起される損失状態が、相互作用強度の主な制限要因となる。
• 漸近的に強い結合限界において、光子-光子相互作用強度は、単一光子-原子結合強度にのみ依存する。
• 多数原子系では分散が高くなるため、有効な非線形性が抑制され、完全な光子ブロッキングが実現できない。
• 系の性能は、多準位原子系における結合強度、分散、およびデコherence経路の複雑な相互作用によって根本的に制限される。