[论文解读] Many-body cavity quantum electrodynamics with driven inhomogeneous emitters

Mi Lei, Rikuto Fukumori+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 8, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

本文研究了高合作性纳米光子腔中强驱动、非均匀的固态发射体集合，由于量子干涉效应，展示了尖锐的集体诱导透明（CIT）窗口。CIT 使得非线性光学响应成为可能，包括同步辐射和亚辐射，为慢光、频率参考和量子互联等应用提供了可能。

ABSTRACT

Quantum emitters coupled to optical resonators are quintessential systems for exploring fundamental phenomena in cavity quantum electrodynamics (cQED) and are commonly used in quantum devices acting as qubits, memories and transducers. Many previous experimental cQED studies have focused on regimes in which a small number of identical emitters interact with a weak external drive, such that the system can be described with simple, effective models. However, the dynamics of a disordered, many-body quantum system subject to a strong drive have not been fully explored, despite its importance and potential in quantum applications. Here we study how a large, inhomogeneously broadened ensemble of solid-state emitters coupled with high cooperativity to a nanophotonic resonator behaves under strong excitation. We discover a sharp, collectively induced transparency (CIT) in the cavity reflection spectrum, resulting from quantum interference and collective response induced by the interplay between driven inhomogeneous emitters and cavity photons. Furthermore, coherent excitation within the CIT window leads to highly nonlinear optical emission, spanning from fast superradiance to slow subradiance. These phenomena in the many-body cQED regime enable new mechanisms for achieving slow light and frequency referencing, pave a way towards solid-state superradiant lasers and inform the development of ensemble-based quantum interconnects.

研究动机与目标

• 研究强驱动、非均匀发射体在高合作性腔中的多体量子系统动力学。
• 理解在非均匀、强驱动体系中，超越弱驱动区域的量子干涉与集体响应的起源与性质。
• 在固态腔 QED 系统中展示新的量子光学现象，如集体诱导透明（CIT）与非线性发射。
• 利用集体多体效应，实现慢光、频率参考与量子互联等应用。

提出的方法

• 采用具有高合作性的纳米光子腔，耦合至非均匀展宽的稀土离子发射体集合（Yb3+ 在 YSO 中）。
• 使用可变功率与失谐的脉冲激光激发，探测腔的反射光谱，观察集体效应。
• 应用主方程模拟，建模耦合与非耦合子集合的动力学，验证非均匀系统中相干叠加方法的有效性。
• 测量腔的相位与反射光谱，确认在 CIT 窗口处存在 π 相位跳变，表明呈现 Fano 类共振特征。
• 通过横向泵浦控制信号在腔中的传输，基于 CIT 窗口实现光学开关。
• 对比 Yb3+ 的 A 与 I 跃迁，分析合作性与退相位对 CIT 深度与宽度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高合作性腔中，强驱动非均匀发射体集合如何导致集体量子现象？
• RQ2 在腔反射光谱中观察到的尖锐集体诱导透明（CIT）窗口的起源与本质是什么？
• RQ3 在相干激发下，CIT 窗口内非线性光学响应（如同步辐射与亚辐射）如何产生？
• RQ4 CIT 窗口能否用于实现高速、全光学开关，且具有高消光比？
• RQ5 A 与 I 跃迁之间合作性与退相位的差异如何影响 CIT 特征的宽度与深度？

主要发现

• 在腔反射光谱中观察到一个比非均匀展宽更窄的尖锐集体诱导透明（CIT）窗口，其源于驱动发射体与腔光子之间的量子干涉。
• CIT 窗口使得即使在强驱动下，也能在非均匀分布中心实现发射体的相干激发，且在共振处呈现相对 π 相位跳变。
• 观察到非线性光学发射，范围从快速同步辐射到长寿命亚辐射态，随着激发功率增加，布居从同步辐射子空间向亚辐射子空间转移。
• 在高功率（2 a.u.）下，系统趋近完全混合态，由于亚辐射子空间中不同简并度，导致 Dicke 状态间布居分布不均。
• 尽管退相位更高，I 跃迁的 CIT 宽度仍略窄于 A 跃迁，表明 I 跃迁具有更高的有效合作性。
• 通过泵浦控制，在窄谱窗口内实现全光学开关，响应时间小于亚微秒，可在完全反射（DIR）与透射（CIT）状态间切换。