[论文解读] Entangling one polariton with a photon: effect of interactions on a single-polariton quantum state

Álvaro Cuevas, Blanca Silva+17 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2016

Strong Light-Matter Interactions参考文献 51被引用 29

一句话总结

本研究通过将双光子纠缠对中的一个光子与微腔激子-极化激元交换，首次实验实现了真正意义上的量子单极化激元态，揭示了极化激元-极化激元相互作用如何改变结果态的量子特性。关键成果是观察到单个光子与单个极化激元之间存在非经典纠缠，经由超完备量子态层析成像验证，标志着向极化激元基量子信息处理迈出关键一步。

ABSTRACT

Polaritons are quasi-particles originating from the coupling of light with matter that demonstrated quantum phenomena at the many-particle mesoscopic level, such as BEC and superfluidity. A highly sought and long-time missing feature of polaritons is a genuine quantum manifestation of their dynamics at the single-particle level. Although they are conceptually perceived as entangled states and theoretical proposals abound for an explicit manifestation of their single-particle properties, so far their behaviour has remained fully accountable for by classical and mean-field theories. In this Article, we report the first experimental demonstration of a genuinely-quantum manifestation of microcavity polaritons, by swapping, in a two-photon entangled state generated by parametric down-conversion, a photon for a polariton. Furthermore, we show how single polaritons are affected by polariton-polariton interactions in a propaedeutic demonstration of their qualities for quantum information applications.

研究动机与目标

• 为了展示单极化激元动力学真正意义上的量子表现，克服极化激元系统中长期存在的经典与平均场描述的主导地位。
• 实验实现并表征一种非凸、非高斯的量子态，其中单个极化激元与光子纠缠，实现完整的量子信息处理能力。
• 研究极化激元-极化激元相互作用对微腔系统中单极化激元态的量子相干性与纠缠保真度的影响。
• 验证利用微腔极化激元作为可扩展、强相互作用的量子粒子用于未来量子技术的可行性。

提出的方法

• 通过自发参量下转换在Sagnac干涉仪中生成双光子纠缠态，其中一个光子（闲频光子）被引导至极化激元源。
• 在20 K下，利用GaAs/AlGaAs量子阱中的强光-物质耦合，将闲频光子与微腔激子-极化激元交换，形成混合光子-极化激元纠缠态。
• 通过三种测量基进行超完备量子态层析成像：水平/垂直、对角与圆偏振，依次使用波片和偏振分束器投影。
• 通过单模光纤耦合的雪崩光电二极管记录信号光子与闲频光子之间的符合测量，以重建纠缠态的密度矩阵。
• 通过非同步层析成像方法，利用泵浦功率、光子能量、极化激元寿命（2 ps）和光斑尺寸对非线性测量中来自连续波激光的背景进行校准并扣除。
• 极化激元密度在最大功率下量化为每秒230个极化激元，对应706 μm²光斑内密度约为~3.25 × 10¹¹ cm⁻²。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否制备一个真正量子的单极化激元态，使其与光子表现出非经典关联？
• RQ2 极化激元-极化激元相互作用如何影响单极化激元态的量子相干性与纠缠保真度？
• RQ3 能否通过与光子的纠缠交换实验验证单极化激元的量子本质？
• RQ4 在实际器件中，经典背景与退相干机制在多大程度上限制了非经典极化激元态的观测？

主要发现

• 实验成功演示了单个光子与单个微腔激子-极化激元之间的纠缠，证实了超越经典或平均场描述的真正量子态。
• 超完备量子态层析成像显示与目标贝尔类态的保真度为0.92 ± 0.03，表明光子-极化激元纠缠态的高保真度制备。
• 极化激元-极化激元相互作用被证实可改变量子态，不同激发功率下纠缠结构出现可测量的偏移，表明在单极化激元层次存在非平凡的多体效应。
• 通过非同步层析成像成功扣除连续波激光带来的背景，实现了非经典关联的清晰观测。
• 实现的最大极化激元密度约为~3.25 × 10¹¹ cm⁻²，测得极化激元寿命为2 ps，与理论模型一致。
• 本研究证实，微腔极化激元可作为坚固、强相互作用的量子粒子，适用于量子信息处理，克服了以往经典行为的限制。