[论文解读] Controlling nonlinear photon-photon interaction via a two-level system

Zhiyuan Dong, Guofeng Zhang|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 68被引用 1

一句话总结

本文提出两种利用双能级系统控制光子-光子相互作用的机制：(1) 在单一通道中对最初无关联的两光子脉冲波形进行整形；(2) 通过共享的双能级系统实现来自独立输入通道的反向传播光子之间的纠缠。关键结果是在输入脉冲完全相同时，实现了可观测的类似Hong-Ou-Mandel的两光子干涉现象，表明存在非线性光子-光子相互作用。

ABSTRACT

The problem of photon-photon interaction controlled by a two-level system is studied in this paper. Specifically, we have proposed two scenarios: Case 1, how a two-level system changes the pulse shapes of two initially uncorrelated input photons in a single input channel; and Case 2, how a two-level system entangles two counter-propagating photons, one in each input channel. The steady-state output field states for both cases are derived explicitly. For Case 1, the Wigner spectrum is used to exhibit the interesting properties of the output field state. For Case 2, the nonlinear property of the interaction between the two-level system and the two input photons has been revealed by the probabilities of observing photons in the output channels. In addition, two-photon interference, similar to Hong-Ou-Mandel effect, occurs when the two input photons are chosen with the same pulse shape.

研究动机与目标

• 研究双能级系统如何在腔或波导系统中介导光子之间的非线性相互作用。
• 分析当两个无关联光子通过耦合至双能级系统进入单一通道时，其输入光子脉冲波形的变换特性。
• 探索通过共享双能级系统，将分别注入独立输入通道的两反向传播光子实现纠缠的机制。
• 利用Wigner谱图与输出概率分布，表征双能级系统对多光子输入的非线性响应。
• 识别在何种条件下，系统中会出现类似于Hong-Ou-Mandel效应的两光子干涉现象。

提出的方法

• 采用腔-QED或波导-QED架构对系统进行建模，其中双能级系统与线性波导或腔中的光模式耦合。
• 针对单通道与双通道输入配置，解析推导稳态输出场态。
• 采用Wigner准概率分布可视化并分析第一类情形中输出场的非经典特性。
• 计算双光子探测的输出通道概率，以揭示第二类情形中光子-光子相互作用的非线性本质。
• 在两输入光子脉冲形状相同时进行系统模拟，以观察类似Hong-Ou-Mandel效应的干涉现象。
• 利用量子光学形式化方法描述光子与双能级系统联合系统的散射矩阵及幺正演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 双能级系统如何改变注入单一光子通道的两个无关联光子的时域波形？
• RQ2 双能级系统能否在来自独立输入通道的两反向传播光子之间生成纠缠？
• RQ3 双能级系统介导的有效光子-光子相互作用的本质是什么？其与线性散射有何区别？
• RQ4 在何种条件下，系统中会出现类似Hong-Ou-Mandel效应的两光子干涉？
• RQ5 在单输入情形下，输出场的Wigner谱如何反映系统的非线性动力学？

主要发现

• 在单通道情形下，双能级系统通过Wigner谱揭示了对输入光子脉冲波形的显著重塑，表明存在强烈的非线性动力学。
• 在双通道配置中，双能级系统成功生成了反向传播光子之间的纠缠，其结果由非平凡的输出概率分布所证实。
• 通过输入光子相对相位与波形对输出概率的依赖关系，证实了非线性光子-光子相互作用的存在。
• 当两输入光子具有相同脉冲形状时，观察到类似Hong-Ou-Mandel效应的两光子干涉，其可见度与HOM效应相当。
• 稳态输出场态被显式推导，为系统响应提供了完整的解析描述。
• 即使在无直接光子-光子耦合的情况下，系统仍表现出非经典特性，如光子集聚与量子关联。