[论文解读] Coherent Nonlinear Feedback of Quantum Systems with Applications to Quantum Optics on Chip

Jing Zhang, Re-Bing Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2011

Mechanical and Optical Resonators被引用 1

一句话总结

本文提出了一种用于量子系统的相干非线性反馈方案，通过利用传输线谐振器中的量子放大器，实现了强而真实的非线性量子效应，其性能优于基于测量的反馈。该方案实验上可行，可生成类似Kerr的非线性效应以及具有亚泊松统计特性和光子反聚束特性的非高斯微波场，从而实现芯片级可扩展的量子光学。

ABSTRACT

In the control of classical mechanical systems, the feedback has been successfully applied to the production of the desired nonlinear dynamics. However, how much this can be done is still an open problem in quantum mechanical systems. This paper proposes a scheme of generating strong nonlinear quantum effects via the recently developed coherent feedback techniques, which can be shown to outperform the measurement-based quantum feedback scheme that can only generate pseudo-nonlinear quantum effects. Such advancement is demonstrated by two application examples in quantum optics on chip. In the first example, we show that the nonlinear Kerr effect can be generated and amplified to be comparable with the linear effect in a transmission line resonator (TLR). In the second example, we show that by tuning the gains of the quantum amplifiers in a TLR coherent feedback network, non-Gaussian light (microwave field) can be generated and manipulated via the nonlinear effects which exhibits fully quantum sub-Poisson photoncount statistics and photon antibunching phenomenon. The scheme opens promising applications in demonstrating strong nonlinear quantum optics on chip, which is extremely weak and inflexible in traditional quantum optical devices.

研究动机与目标

• 为克服基于测量的量子反馈的局限性，后者仅产生伪非线性效应。
• 开发一种相干反馈框架，以在集成量子系统中实现强而真实的非线性量子动力学。
• 展示利用传输线谐振器在芯片上量子光学中实现非线性量子效应的实际应用。
• 生成并操控具有亚泊松光子统计特性及反聚束等量子特征的非高斯微波场。
• 实现在紧凑量子光子电路中可扩展、灵活且强的非线性相互作用。

提出的方法

• 通过将量子放大器连接至传输线谐振器（TLR）构建相干反馈网络，以在不引起测量坍缩的情况下诱导非线性动力学。
• 调节反馈回路中量子放大器的增益，以控制有效非线性的强度和性质。
• 利用相干反馈架构在TLR中生成等效的Kerr类相互作用，其强度与线性耦合效应相当。
• 设计反馈回路以在生成微波波段非高斯光场的同时保持量子相干性。
• 采用量子光学技术验证量子特征的出现，如亚泊松光子统计和光子反聚束。
• 设计反馈网络以具备鲁棒性和可扩展性，便于集成至芯片级量子光学平台。

实验结果

研究问题

• RQ1 相干反馈能否生成强于基于测量反馈所能实现的真正非线性量子效应？
• RQ2 在TLR网络中，相干反馈在多大程度上能模拟或超越传统Kerr非线性的强度？
• RQ3 能否利用相干反馈生成并控制具有量子统计特征的非高斯微波态？
• RQ4 反馈回路中可调谐放大器增益如何影响量子非线性现象的出现？
• RQ5 相干反馈方案能否实现具有强非线性的可扩展芯片集成量子光学？

主要发现

• 相干反馈方案成功在传输线谐振器中生成了强有效非线性相互作用，其强度与线性耦合效应相当。
• 该方案产生了真正的非线性量子效应，超越了仅产生伪非线性的基于测量反馈的局限性。
• 生成了具有亚泊松光子统计特性的非高斯微波场，表明光子数涨落受到量子抑制。
• 观测到光子反聚束现象，证实了所生成微波场的非经典特性。
• 通过调节反馈回路中量子放大器的增益，可实现对非线性程度和输出光场特性的动态控制。
• 该方法实现了强、灵活且可扩展的芯片级非线性量子光学，克服了传统量子光学器件固有的弱性和不灵活性。