[论文解读] Nonclassical light generation and control from laser-driven semiconductor intraband excitations

Ivan Gonoskov, René Sondenheimer+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2022

Laser-Matter Interactions and Applications被引用 4

一句话总结

本文提出了一套用于强激光场驱动下半导体中高次谐波产生（HHG）的量子光学框架，表明布带电子动力学会引致基频与谐波光场模式之间的非线性耦合。关键结果是所有光场模式之间天然生成多体纠缠，从而实现具有广泛光谱覆盖范围的可扩展光量子资源态，适用于量子信息处理。

ABSTRACT

We investigate the generation of higher-order harmonics from a quantum optics perspective via the interaction of a semiconductor with a coherent pump field focusing on the regime where strong-field intraband excitations dominate. The related Schrödinger equation for the system is solved approximately and the classical and quantum characteristics of the fundamental light mode as well as the higher frequency modes are analyzed. We find intricate but sufficiently mild modifications of the fundamental mode and coherent displacements depending on the position quadrature component of the driving laser field for the harmonic modes within our approximations due to the intricate induced nonlinear interactions. Similar to high-harmonic generation in atoms, all radiation field modes are entangled, allowing for potential novel protocols for quantum information processing with high photon numbers over a large range of frequencies.

研究动机与目标

• 发展强激光场驱动下半导体中高次谐波产生（HHG）的量子力学描述，重点关注布带跃迁。
• 分析所辐射场的类经典与量子特性，特别是生成模式的非高斯性与纠缠性。
• 研究半导体中非线性能带色散如何导致辐射场的结构化、非平凡修正，超出经典预期。
• 探索激光驱动的布带HHG作为复杂纠缠光子态源在量子信息处理中的潜力。
• 通过与半导体-麦克斯韦-布洛赫方程导出的经典解对比，验证分析模型。

提出的方法

• 采用一阶近似求解半导体与多模量子光场耦合系统的薛定谔方程，包含非线性能带色散效应。
• 哈密顿量通过能带色散非线性地引入场算符，与原子HHG中的线性偶极耦合不同。
• 推导出谐波模式中相干态位移的解析解，其参数由泵浦场的位置正交分量决定。
• 通过算符 $\hat{\bm{1}} - \ket{G_0}\bra{G_0}$ 实施条件态投影，分离出HHG生成的态，去除真空分量。
• 将所得态以位置表象表示，以证明所有光场模式之间存在非可分性与纠缠。
• 通过与经典极限下半导体-麦克斯韦-布洛赫方程的数值解对比，验证解的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 半导体中非线性布带电子动力学如何改变高次谐波产生中所辐射光场的量子态？
• RQ2 在强场布带激发下，基频与谐波模式的量子特性在多大程度上实现纠缠？
• RQ3 泵浦场的位置正交分量在塑造谐波模式位移振幅方面起什么作用？
• RQ4 半导体中非线性能带色散如何导致辐射场的非高斯修正？
• RQ5 半导体中的HHG过程能否生成适用于量子信息应用的可用多体纠缠光子态？

主要发现

• 由于非线性相互作用，所生成的辐射场表现出非高斯修正，但泵浦场位置正交分量函数的期望值保持不变。
• 谐波模式以与泵浦场位置正交分量相关的非线性方式发生相干位移，且在布带势能最小处满足 $|\alpha_j|^2 \sim N_0$。
• HHG过程天然地在所有光场模式之间产生多体纠缠，如条件态 $\braket{\vec{Q}}{G_{\mathrm{HHG}}}$ 的非可分结构所证明。
• 该纠缠态结构与原子HHG类似，但因非线性能带色散而对泵浦场正交分量表现出更强依赖性。
• 该系统在宽光谱范围内（从红外到紫外）产生高光子数，适用于量子信息应用。
• 解析解与经典SMBE模拟结果一致，验证了该方法在一阶近似及所假设模型约束下的有效性。