[论文解读] Entanglement and non-classical states of light in a strong-laser driven solid-state system

Javier Rivera-Dean, Philipp Stammer+7 more|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 6

一句话总结

本文展示了在强激光驱动的固态系统中，通过高次谐波产生（HHG）与离域电子复合，实现非经典光与电子-场纠缠的生成。其核心贡献在于，固体中的能带内和能带间动力学天然诱导电子与光场之间的纠缠，无需额外的条件控制，从而实现紧凑的固态量子光源。

ABSTRACT

The development of sources delivering non-classical states of light is one of the main needs for applications of optical quantum information science. Here, we demonstrate the generation of non-classical states of light using strong-laser fields driving a solid-state system, by using the process of high-order harmonic generation, where an electron tunnels out of the parent site and, later on, recombines on it emitting high-order harmonic radiation, at the expense of affecting the driving laser field. Since in solid-state systems the recombination of the electron can be delocalized along the material, the final state of the electron determines how the electromagnetic field gets affected because of the laser-matter interaction, leading to the generation of entanglement between the electron and the field. These features can be enhanced by applying conditioning operations, i.e., quantum operations based on the measurement of high-harmonic radiation. We study non-classical features present in the final quantum optical state, and characterize the amount of entanglement between the light and the electrons in the solid. The work sets the foundation for the development of compact solid-state-based non-classical light sources using strong-field physics.

研究动机与目标

• 探索利用强场激光激发在固态系统中生成光的非经典态。
• 研究固体中电子离域与复合动力学如何导致电子与电磁场之间的纠缠。
• 将量子光学框架从原子系统扩展至固态HHG系统，识别非经典性的内在来源。
• 分析能带内与能带间跃迁在塑造量子光学态及实现纠缠中的作用。
• 建立基于强场物理的紧凑、固态非经典光源的理论基础。

提出的方法

• 采用基于Wannier态描述电子动力学的多体量子框架建模固态系统。
• 应用一阶时间依赖微扰理论推导电子-场系统的最终量子态。
• 区分局域与非局域复合过程，其中非局域复合导致纠缠。
• 使用位移算符 $\hat{\mathcal{D}}$ 描述激光驱动下光学场与电子态的演化。
• 将最终态表示为真空与单光子态的叠加，其条件为电子在不同晶格位置的复合。
• 利用谐波辐射测量作为探测手段分析量子态，无需外部条件操作。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过强激光驱动的高次谐波产生在固态系统中生成光的非经典态？
• RQ2 电子在晶体晶格中的离域如何影响电子与发射光之间的纠缠？
• RQ3 能带内与能带间跃迁在光场中生成量子关联的过程中起什么作用？
• RQ4 纠缠是否能在固态中自然产生，而无需依赖测量的条件控制？
• RQ5 固态HHG系统在多大程度上可作为紧凑、可扩展的非经典光源？

主要发现

• 通过强激光驱动的高次谐波产生，即使在无外部条件控制的情况下，固态系统也能生成光的非经典态。
• 非局域复合——即电子在初始位置以外的晶格位置复合——会诱导电子与电磁场之间的纠缠。
• 由于微扰态演化中电子在不同Wannier位点复合的叠加，最终量子态表现出纠缠。
• 系统的多体量子动力学，特别是能带间与能带内跃迁，导致具有可测量量子关联的非经典光学态。
• 理论分析表明，纠缠源于离域复合过程的内在机制，因而具有鲁棒性并具备可扩展潜力。
• 研究结果为利用强场物理与HHG开发紧凑、固态非经典光源提供了可行路径。