[论文解读] Coherent Diffusive Photonics

Sebabrata Mukherjee, D. Mogilevtsev+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2017

Neural Networks and Reservoir Computing被引用 1

一句话总结

本文通过利用光子模式之间通过公共库的耗散耦合，提出了一种相干扩散光子学，实现了在原本混沌的系统中可逆的光控。实验上展示了光学均衡化和选择性信道路由，其量子热力学意义包括完美的非兰道尔擦除，以及在晶格结构中出现类似compacton的局域化态。

ABSTRACT

The Photonic Circuit has generally been a structure in which light propagates by unitary exchange and where photons transfer reversibly between channels. In contrast, the term diffusive is more akin to a chaotic propagation in scattering media, where light is driven out of coherence towards a thermal mixture. We have devised a way to unite these opposites, founded from the dynamics of open quantum systems and resulting in novel techniques for coherent light control. The crucial feature of these photonic structures is dissipative coupling between modes; an interaction with a common reservoir. We demonstrate experimentally that such systems can perform optical equalisation to smooth multimode light, or act as a distributor, guiding it into selected channels. Quantum thermodynamically, these systems can act as catalytic coherent reservoirs by performing perfect non-Landauer erasure. When extending to lattice structures, localized stationary states can be supported in the continuum, similar to compacton-like states in conventional flat band lattices.

研究动机与目标

• 调和光子系统中相干（幺正）与扩散（混沌）光传播之间的矛盾。
• 开发在与公共库发生耗散耦合时仍能保持相干性的光子结构。
• 实现新型光学控制技术，如均衡化和选择性信道分配。
• 探索开放量子系统中耗散耦合带来的量子热力学优势，包括非兰道尔擦除。
• 研究在具有连续局域化特性的光子晶格中局域化稳定态的出现。

提出的方法

• 利用共享库实现光子模式之间的耗散耦合，以统一相干与扩散动力学。
• 采用开放量子系统动力学来建模和设计模式与库之间的相互作用。
• 设计具有工程化损耗和耦合的光子电路，以实现受控的能量重分布和模式均衡化。
• 通过实验实现，展示了在多模系统中光学均衡化和选择性信道路由。
• 将该框架扩展至光子晶格，以在连续谱中支持局域化态，其行为类似于平坦能带系统中的compacton。
• 分析热力学行为，表明系统可通过催化库作用实现完美的非兰道尔擦除。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有耗散耦合的光子系统中，如何维持相干控制？
• RQ2 耗散耦合是否能在多模光中实现光学均衡化和选择性路由？
• RQ3 在开放量子光子系统中，耗散耦合带来了哪些热力学优势？
• RQ4 具有耗散耦合的光子晶格是否能在连续谱中支持局域化稳定态？
• RQ5 此类系统能否实现完美的非兰道尔擦除？

主要发现

• 该系统在实验中实现了光学均衡化，通过耗散耦合使多模光变得平滑。
• 通过工程化库相互作用，可引导光进入预设输出信道，实现选择性信道分配。
• 该光子系统作为催化相干库，实现了完美的非兰道尔擦除，违反了兰道尔原理的传统限制。
• 在晶格构型中，局域化稳定态在连续谱中出现，其行为类似于compacton模式。
• 耗散耦合机制使原本易发生退相干和热化系统的相干控制成为可能。
• 该框架通过利用开放量子系统动力学，统一了幺正与扩散光传播。