[论文解读] Nonclassical light in coupled optical systems: anomalous power distribution, Fock space dynamics and supersymmetry

Ramy El‐Ganainy, Alexander Eisfeld+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2013

Quantum optics and atomic interactions参考文献 18被引用 5

一句话总结

本文研究了耦合光学系统中的非经典光，通过哈密顿量对角化，展示了无经典类比的异常强度分布。研究揭示了福克空间中的相干输运、局域化和布洛赫振荡，并建立了光子数相差一个的福克流形之间的离散超对称性，从而为光流的新型量子调控提供了可能。

ABSTRACT

We investigate the dynamics of nonclassical states of light in coupled optical structures and we demonstrate a number of intriguing features associated with such arrangements. By diagonalizing the system's Hamiltonian, we show that these geometries can support eigenstates having anomalous optical intensity distribution with no classical counterpart. These features may provide new avenues towards manipulating light flow at the quantum level. By projecting the Hamiltonian operator on Hilbert subspaces spanning different numbers of photon excitations, we demonstrate that processes such as coherent transport, state localization and surface Bloch oscillations can take place in Fock space. Furthermore, we show that Hamiltonian representations of Fock space manifolds differing by one photon obey a discrete supersymmetry relation

研究动机与目标

• 探索耦合光学结构中非经典光的量子动力学。
• 识别并表征在经典光学中不存在的异常光学强度分布。
• 分析福克空间子流形中的相干输运、局域化和布洛赫振荡。
• 建立光子数相差一个的福克空间之间的离散超对称性关系。
• 通过设计的光学系统，展示控制光流的新途径。

提出的方法

• 对系统的哈密顿量进行对角化，以识别具有非经典强度分布的本征态。
• 将哈密顿量投影到对应于固定光子数激发（福克子空间）的希尔伯特子空间上。
• 分析单个福克子空间内相干输运和局域化的动力学行为。
• 通过周期性驱动或势能调制，研究福克空间中的表面布洛赫振荡。
• 推导并验证光子数相差一个的福克流形之间的离散超对称性关系。
• 采用二次量子化形式描述具有非经典态的多模光子系统。

实验结果

研究问题

• RQ1 耦合光学系统是否能支持在经典光学中不存在的、具有异常强度分布的非经典光态？
• RQ2 对于多光子态，相干输运和局域化在福克空间中如何表现？
• RQ3 能否在福克空间中实现表面布洛赫振荡？其产生的条件是什么？
• RQ4 是否存在一种离散超对称性，将光子数相差一个的福克流形联系起来？
• RQ5 这些量子特性对单光子级别光的控制具有何种意义？

主要发现

• 系统的哈密顿量支持具有异常光学强度分布的本征态，这些分布无经典类比，源于量子干涉和纠缠。
• 在福克空间中观察到相干输运、局域化和表面布洛赫振荡，表明其超越单光子范畴的量子动力学行为。
• 光子数相差一个的福克空间流形表现出离散超对称性关系，关联其能级谱和本征态结构。
• 该超对称性是精确的，即一个流形的哈密顿量与另一个流形的哈密顿量在光子数偏移下保持等谱。
• 这些特性源于哈密顿量的内在结构，在特定对称性和系统构型下具有鲁棒性。
• 结果表明，可在光子晶格和耦合腔中通过新机制实现对量子光流的工程化与调控。