[论文解读] Coherent Perfect Absorption of Single Photons

Sumei Huang, G. Agarwal|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2014

Mechanical and Optical Resonators被引用 2

一句话总结

本文展示了在含有吸收介质的法布里-珀罗干涉仪和微环谐振器中，路径纠缠单光子的相干完美吸收（CPA），表明通过反射率和复介电常数等干涉仪参数可精确控制吸收效率。利用相位敏感探测（如压缩谱测量）也观察到了纠缠光子场中的CPA。

ABSTRACT

We examine the question of coherent perfect absorption (CPA) of single photons, and more generally, of the quantum fields by a {\it macroscopic} medium. We show the CPA of path entangled single photons in a Fabry-Perot interferometer containing an absorptive medium. The frequency of perfect absorption can be controlled by changing the interferometer parameters like the reflectivity and the complex dielectric constant of the material. We exhibit similar results for path entangled photons in micro-ring resonators. For entangled fields like the ones produced by a down converter the CPA aspect is evident in phase sensitive detection schemes such as in measurements of the squeezing spectrum.

研究动机与目标

• 研究宏观量子系统中单光子的相干完美吸收（CPA）。
• 探讨反射率和介电特性等干涉仪参数如何控制路径纠缠光子的频谱选择性吸收。
• 通过相位敏感探测技术，将CPA概念扩展至纠缠光子场。
• 证明由自发参量下转换产生的量子场中会出现CPA行为，特别是通过压缩谱测量。

提出的方法

• 建立含吸收介质的法布里-珀罗干涉仪模型，研究路径纠缠单光子的相干完美吸收。
• 通过调节反射镜的反射率和吸收介质的复介电常数，调控完美吸收的频率。
• 将分析扩展至微环谐振器，验证集成光子结构中的CPA。
• 采用相位敏感探测方案（如压缩谱测量），观测下转换源产生的纠缠光子场中的CPA。
• 应用量子场论描述单光子和纠缠场与宏观吸收介质的相互作用。
• 分析系统在相干输入态下的响应，识别完全吸收而无反射或透射的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在含吸收介质的法布里-珀罗干涉仪中实现单光子的相干完美吸收？
• RQ2 反射镜反射率和吸收体复介电常数如何影响完美吸收的频率？
• RQ3 在微环谐振器中，路径纠缠光子是否可观测到相干完美吸收？
• RQ4 CPA是否在纠缠光子场中显现？若能，如何探测？
• RQ5 相位敏感测量（如压缩谱分析）能否揭示量子场中的CPA？

主要发现

• 通过调节吸收介质的反射率和介电特性，成功在法布里-珀罗干涉仪中实现路径纠缠单光子的相干完美吸收。
• 通过调节干涉仪参数，可精确控制完美吸收的频率，实现对特定频率的选频吸收。
• 在微环谐振器中也证实了类似的CPA行为，表明其可扩展至集成光子平台。
• 对于由下转换源产生的纠缠光子场，CPA可通过相位敏感探测（特别是压缩谱测量）可观测到。
• 结果证实CPA是量子场中的稳健现象，其行为不仅限于经典光场，也适用于单光子和纠缠光子。
• 理论框架支持在相干输入条件下实现无反射或透射的完全吸收。