[論文レビュー] Shaping field correlations with quantum antennas

Alexander Mikhalychev, D. Mogilevtsev+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 37被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、発光体アレイの初期量子状態を設計することにより、もつれや強度分布などの空間的場の相関を整形する量子アンテナフレームワークを導入する。これにより、2次以降の相関関数を制御可能となる。古典的アンテナとは異なり、場の振幅や強度を変更せずに量子相関を操作し、方向性を持つ二光子放出を実現するとともに、状態設計と量子状態推定を用いて遠方場放射を抑制する。

ABSTRACT

Quantum antennas can shape the spatial entanglement of emitted photons originating from specific initial non-Dicke entangled states of antenna emitters. In contrast to a classical antenna, a quantum antenna might not be affecting the amplitudes and intensities distribution of the field, but only shaping the second and higher order correlations. The shape and directivity of the correlations can be optimized using quantum state inference techniques. The character of the correlations can also be controlled by changing both the geometry and the initial state of the antenna. Positive and negative correlated twin-photons, as well as multi-photons entangled states can be produced from the same antenna for different initial states of the emitters. Our approach to antenna design can find applications in imaging and high-precision sensing, as well as in the development of an emitter-field interface for quantum information processing.

研究の動機と目的

• 古典的放射パターンを越えて、放出光の空間的相関を制御する量子アンテナの設計手法を開発すること。
• 発光体の量子状態設計により、場の振幅や強度を変更せずに、2次およびそれ以上の相関関数を所望の形に調整できることを示すこと。
• 同じアンテナ幾何構造を用いながら、初期状態を変更することで光子対の放射方向性（共方向および反方向）を制御できることを実証すること。
• 特定の初期エンタングル状態を選択することで、量子アンテナからの遠方場放射を抑制できることを検討し、非放射的源に類似した挙動を再現すること。
• 特定の条件下で量子予測と一致する、主要な量子相関特徴を捉えた半古典的モデルを用いて、量子場の挙動を検証すること。

提案手法

• 同一の電気双極子モーメントを持つN個の相互作用しない2準位系発光体（TLS）から成る線形アレイを、遠方場空間的分布を記述する量子場演算子を用いてモデル化する。
• 空間的場分布を記述するために正周波数場演算子を用い、発光体位置と双極子配向を、発光体-場幾何構造に依存する位相因子によって組み込む。
• 長時間の緩和を仮定してサプレアディアンスを促進するため、ラングジュアンノイズ項を含むマスター方程式のアプローチを用いて緩和およびデコherenceをモデル化する。
• 発光体のコherー二ス項 $ \tilde{R}^{(j)} $ に依存する振幅 $ \tilde{A}(\theta_1, \theta_2) $ から、2次相関関数 $ G^{2}(\theta_1, \theta_2) $ を導出する。
• 所望の相関パターン（特に方向性を持つ二光子放出）を実現するため、発光体アレイの初期状態を最適化するために量子状態推定技術を適用する。
• 半古典的モデルを用いて結果を検証し、Poyntingベクトルと相関関数が古典的場振幅とコherー二ス項から導出可能であり、特定の条件下で量子予測と一致することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複数発光体アンテナの初期量子状態を設計することで、放出光の2次空間的相関関数を整形できるか？
• RQ2 同じアンテナ幾何構造を用い、初期状態を変更するだけで、共方向および反方向の二光子放出を両方生成できるか？
• RQ3 特定の初期エンタングル状態を選択することで、量子アンテナからの遠方場放射を抑制できるか？
• RQ4 半古典的モデルが、量子アンテナにおける高次場相関をどの程度正確に記述できるか？
• RQ5 発光体アレイの幾何構造と初期状態が、量子場相関の指向性および構造にどのように共同で影響を与えるか？

主な発見

• 同じ量子アンテナ設計において、発光体の初期状態を変更するだけで、共方向および反方向の二光子放出を両方生成可能であり、状態依存の指向性を実証した。
• 特定の初期状態は、遠方場放射を強く抑制し、非放射的源に類似した挙動を示す。これは、サプレアディアンスを介して光子を放出するが、遠方場放射はほとんどない状態を実現している。
• 2次相関関数 $ G^{2}(\theta_1, \theta_2) $ は、振幅の絶対値の2乗 $ |\tilde{A}(\theta_1, \theta_2)|^2 $ に比例し、コherー二ス項 $ \tilde{R}^{(j)} $ に依存するため、相関パターンの精密な制御が可能である。
• 鏡像対称ノイズ構成では、相関パターンは時間に依存せず、純粋な量子ケースと一致し、半古典的モデルの精度が対称条件下で妥当であることを裏付けた。
• 非鏡像ノイズケースでは相関パターンにわずかな時間変動が見られるが、最大値の位置は量子ケースと一致しており、相関構造の頑健性を示している。
• 高次相関が非古典的場特徴を露にするため、この手法により超解像イメージングと高精度センシングが可能となる。