[论文解读] Nonclassicality in non-degenerate hyper-Raman processes

Kishore Thapliyal, Anirban Pathak+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于描述多光子泵浦非简并超拉曼过程的完全量子力学哈密顿量的微扰解析解，揭示了丰富的非经典现象，如泵浦模、斯托克斯模、反斯托克斯模和振动模之间的模间压缩、反聚束及纠缠。关键贡献在于证明了非经典性——尤其是模间关联和高阶效应——不仅出现在信号模中，也通过多个非简并泵浦模的自相互作用产生。

ABSTRACT

A perturbative analytic operator solution of a completely quantum mechanical Hamiltonian of multi-photon pump non-degenerate hyper-Raman process is obtained. It is shown that the obtained solution is general in nature as the solutions of non-degenerate hyper-Raman and stimulated Raman processes can be obtained as special cases of the present solution. The analytic solutions obtained here are used to investigate the nonclassical properties of the different modes in the stimulated, spontaneous and partially spontaneous multi-photon pump non-degenerate hyper-Raman processes. The nonclassical nature of these processes is witnessed by means of single mode and intermodal quadrature squeezing, intermodal entanglement of different orders, lower order and higher order photon antibunching. Interestingly, manifesting the multiphoton nature of the pump modes, a bunch of nonclassicality involving them are observed due to self-interaction of various pump modes.

研究动机与目标

• 为多光子泵浦非简并超拉曼过程的完全量子力学哈密顿量开发一种通用的微扰解析解。
• 研究在受激、自发及部分自发三种模式下，所有模（泵浦、斯托克斯、反斯托克斯、振动）的非经典特性（如压缩、反聚束及纠缠）。
• 探讨多个非简并泵浦模通过自相互作用在生成非经典效应中的作用，扩展至标准拉曼过程之外。
• 建立非经典特征在简并及标准拉曼过程中可观测到的结果可作为本解的极限情况恢复。
• 识别相位依赖与频率依赖的非经典性调控，尤其在涉及泵浦模的模间关联中。

提出的方法

• 利用时间有序算符展开技术，推导出包含 $ k $ 个非简并泵浦模的多模非简并超拉曼哈密顿量的微扰解析解。
• 将解应用于分析三种模式下的非经典特性：完全受激、完全自发及部分自发过程。
• 采用多种判据评估非经典性：单模与模间正交压缩、低阶与高阶光子反聚束，以及多种阶数的模间纠缠。
• 证明该解在适当极限下可还原为受激与自发拉曼过程及简并超拉曼过程的已知结果。
• 分析非经典性对泵浦频率、光子数及泵浦模之间相对相位的依赖关系。
• （未来工作中）使用准概率分布函数进一步表征非经典行为，尽管此处未实际计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为具有多个非简并泵浦模的非简并超拉曼过程推导出一种通用的量子力学解？
• RQ2 在不同激发模式下，泵浦、斯托克斯、反斯托克斯及振动模中会涌现出哪些非经典特性（如压缩、反聚束及纠缠）？
• RQ3 多个非简并泵浦模的自相互作用如何产生在单泵浦或简并情况下未见的非经典性？
• RQ4 在自发模式下，非经典特征（如模间压缩与纠缠）在多大程度上得以保持？
• RQ5 泵浦模的相位与频率如何影响所观测到的非经典性的程度与类型？

主要发现

• 该解析解具有通用性，并可在适当极限下恢复受激与自发拉曼过程及简并超拉曼过程的已知结果。
• 即使在自发模式下，泵浦模之间也观察到模间压缩、反聚束及纠缠，表明泵浦自相互作用具有内在的非经典性。
• 复合泵浦-泵浦模表现出所有研究的非经典特性：模间压缩、反聚束及低阶与高阶纠缠。
• 泵浦-斯托克斯、泵浦-振动及泵浦-反斯托克斯复合模表现出模间压缩与反聚束，其中泵浦-反斯托克斯模还表现出高阶纠缠。
• 泵浦模中的非经典性依赖于泵浦频率、光子数及非简并泵浦模的数量，其中模间反聚束与纠缠具有相位依赖性。
• 系统表现出多模非经典性，所有泵浦模由于自相互作用预计形成 $ k $-部分子纠缠态，与任意泵浦对之间观测到的纠缠一致。