[论文解读] Characterizing micro-macro transitions with an atomic-vapor-based linear optical amplifier

Zhifan Zhou, Ulrich Vogl+5 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2016

Quantum optics and atomic interactions参考文献 40被引用 3

一句话总结

该论文通过在热铷原子汽中利用四波混合技术，实现了一种基于原子蒸气的高增益线性光放大器，用于表征微观-宏观过渡。其光学增益达到10⁷，使常规探测器能够实现单光子输入的光子数分辨探测，群速度延迟按1/√N缩放，其中N为平均输入光子数。探测光和共轭光模式表现出不同的缩放系数，为表征量子到经典过渡提供了敏感参数。

ABSTRACT

Fundamentally, the dynamics of micro-macro transitions is instrumental to understanding the process of quantum-to-classical transitions; technologically, it can also facilitate the detection of the microscopic signals in quantum experiments via convenient detectors. Here, we demonstrate a scheme to characterize micro-macro transitions based on a four-wave mixing linear optical amplification process in a hot rubidium vapor. The linear optical amplifier provides a large optical gain of $10^7$ for injected single-photon-level pulses, enabling photon-number-resolving detection by average via non-single-photon counting detectors with a large dynamic range. The scheme exhibits strong dispersion which is sensitive to the input's change at the single-photon level, resulting in the group-velocity delay time scaling with $1/\sqrt{N}$, where $N$ is the average input photon number. The output probe and conjugate modes have different coefficients of this $1/\sqrt{N}$ scaling, indicating the coefficient can serve as an efficient parameter to characterize the specified micro-macro transitions. The demonstrated results are generally applicable for quantum detection and optical signal processing in light-atom interfaces. Furthermore, the present system is suitable for the study of relevant time-resolved dynamics of the quantum-to-classical transitions.

研究动机与目标

• 开发一种实验探测量子-经典动力学中微观-宏观过渡的方法。
• 克服现有系统中因非均匀展宽导致微观输入变化无法分辨的局限性。
• 利用具有大动态范围的非单光子计数探测器，实现对单光子水平信号的光子数分辨探测。
• 通过色散敏感的群速度延迟缩放特性，表征微观-宏观过渡的时序动力学。
• 识别一种可扩展、可量化的参数——延迟时间与1/√N缩放关系的系数，用于区分不同的微观-宏观过渡行为。

提出的方法

• 在热⁸⁵Rb原子汽中采用双Λ能级构型的四波混合，实现线性光放大。
• 使用强而未耗尽的泵浦光束以保持系统线性，并抑制自发发射和共振吸收。
• 利用类似电磁感应透明的量子干涉效应增强非线性，并诱导强色散。
• 测量群速度延迟时间随平均输入光子数N的变化，以观察1/√N缩放行为。
• 使用非单光子计数探测器测量放大的输出脉冲，实现在大动态范围内的光子数分辨。
• 分析探测光和共轭光输出模式，比较其不同的1/√N缩放系数，该系数反映了差异化的吸收与色散特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何以对单光子水平输入变化的敏感性，实验分辨微观-宏观过渡？
• RQ2 在高度色散的原子介质中，群速度延迟时间与平均输入光子数N的缩放关系为何种形式？
• RQ3 1/√N延迟依赖关系的缩放系数能否作为区分不同微观-宏观过渡路径的可辨识参数？
• RQ4 线性光放大器如何实现利用常规非单光子计数探测器的光子数分辨探测？
• RQ5 探测光与共轭光束之间的差异吸收在调制延迟时间缩放系数中起何种作用？

主要发现

• 系统对单光子水平输入脉冲实现了10⁷的光学增益，使标准探测器能够实现宏观检测。
• 群速度延迟时间在平均输入光子数从~1到~800的动态范围内均呈现1/√N缩放行为，与理论预测定量一致。
• 探测光模式的1/√N缩放系数为0.729 ± 0.292 × 10⁵ GHz/√pW，而共轭光模式为2.154 ± 0.33 × 10⁵ GHz/√pW，表明其具有不同的色散响应。
• 共轭光模式在低输入功率下脉冲形状几乎无失真，峰值振幅符合预测的1/√N依赖关系。
• 观测到的延迟时间缩放行为具有鲁棒性且可在大动态范围内测量，证实该系统适用于时间分辨的量子动力学研究。
• 探测光与共轭光束之间缩放系数的差异提供了对特定微观-宏观过渡过程具有高灵敏度和可量化的表征参数。