[论文解读] Collective super- and subradiant dynamics between distant optical quantum emitters

Alexey Tiranov, Vasiliki Angelopoulou+10 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2022

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本研究展示了在光子晶体波导中，远距离光学量子发射器之间实现相干的长程辐射偶极-偶极耦合，实现了对集体超辐射和亚辐射发射的动态调控。通过调节磁场和激发条件，作者观察到增强（超辐射）和抑制（亚辐射）的衰减动力学，为基于片上光子网络的可扩展量子信息处理提供了基础平台。

ABSTRACT

Photon emission is the hallmark of light-matter interaction and the foundation of photonic quantum science, enabling advanced sources for quantum communication and computing. Although single-emitter radiation can be tailored by the photonic environment, the introduction of multiple emitters extends this picture. A fundamental challenge, however, is that the radiative dipole-dipole coupling rapidly decays with spatial separation, typically within a fraction of the optical wavelength. We realize distant dipole-dipole radiative coupling with pairs of solid-state optical quantum emitters embedded in a nanophotonic waveguide. We dynamically probe the collective response and identify both super- and subradiant emission as well as means to control the dynamics by proper excitation techniques. Our work constitutes a foundational step toward multiemitter applications for scalable quantum-information processing.

研究动机与目标

• 实现超越亚波长极限的远距离光学量子发射器之间的长程辐射偶极-偶极耦合。
• 在固态纳米光子平台中，动态探测并调控集体发射行为，特别是超辐射与亚辐射。
• 通过利用光子晶体波导延长相互作用范围，克服自由空间中快速衰减的偶极-偶极耦合的挑战。
• 通过光谱调谐激发和磁场调谐，实现对单激发集体态的相干控制。
• 通过时间分辨发射动力学提供相干耦合的实验证据，推动多发射器量子网络的发展。

提出的方法

• 利用光子晶体波导（PCW）在两个自组装的InGaAs量子点（QDs）之间实现长程辐射耦合，使相互作用范围超出亚波长极限。
• 采用磁场调谐（Zeeman效应）使QD跃迁频率光谱对齐，实现发射器间的共振。
• 使用Hanbury Brown and Twiss装置进行时间分辨单光子发射测量，检测来自波导两个输出端口的动力学行为。
• 采用光谱整形激光脉冲进行共振激发，通过偏振控制独立激发每个QD，并调节激发的相对相位。
• 采用基于包含辐射衰减、光谱扩散、退相干和相干耦合的耦合偶极主方程的理论模型，对实验数据进行拟合。
• 通过拉比振荡校准激发脉冲面积，并使用带宽为3 GHz的频带滤波激光，以抑制背景激发。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光子波导将远距离光学发射器之间的辐射偶极-偶极耦合扩展至亚波长范围之外？
• RQ2 能否在固态系统中实验观测并调控超辐射与亚辐射的集体发射动力学？
• RQ3 激发场的相对相位和振幅如何影响双发射器系统的相干动力学？
• RQ4 退相干和光谱扩散在亚辐射态的可见度和寿命中起什么作用？
• RQ5 能否从时间分辨发射轨迹中定量提取相干耦合强度和衰减速率？

主要发现

• 作者在相距1.25 µm的两个量子点中观测到超辐射和亚辐射衰减动力学，其衰减速率分别为0.61 GHz（Γ_sup）和0.12 GHz（Γ_sub）。
• 亚辐射态表现出约10 ns的寿命，退相干速率为0.03 GHz（γ_d），表明尽管存在实验缺陷，仍具有长寿命相干性。
• 辐射耦合速率Γ_23测量值为0.61 GHz，色散耦合J_23为0.03 GHz，证实了强光子介导的相互作用。
• 通过将激发相位θ调至-0.48π，系统被驱动至叠加态，增强了发射中相干振荡的可见度。
• 基于表S3中参数的主方程模型对实验数据的理论拟合结果表现出极佳一致性，验证了模型的预测能力。
• 通过正交偏振分量同时共振激发两个QD，实现了对集体态的相干控制，激发脉冲面积Ω₂ = 0.87(6)和Ω₃ = 1.33(5)，单位为拉比频率。