[论文解读] Quantum Correlations, Entanglement, and Squeezed States of Light in Kerr Optical Frequency Combs

Yanne K. Chembo|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2014

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 3

一句话总结

本文通过将量子噪声引入半经典的Kerr光频梳模型，为Kerr光频梳中的量子关联、多模纠缠和压缩态提供了理论框架。分析表明，在最优条件下，泵浦模式对称分布的边带模式会表现出量子关联并导致压缩，且该结果与动力学状态、频梳带宽或色散区域无关，其中耦出效率是决定压缩效率的关键因素。

ABSTRACT

The dynamical behavior of Kerr optical frequency combs is very well understood today from the perspective of the semi-classical approximation. In this article, we provide a theoretical understanding of the phenomena of quantum correlations, multimode entanglement and squeezed states of light that can occur in these frequency combs when quantum noise is accounted for. We prove that for all stationary spatio-temporal patterns, the side-modes that are symmetrical relatively to the central (pumped) mode in the frequency domain display quantum correlations that can lead to squeezed states of light under some optimal conditions that are analytically determined. We show that these quantum correlations can persist regardless the dynamical state of the system (rolls or solitons), regardless of the spectral extension of the comb (number sidemodes), and regardless of the dispersion regime (normal or anomalous). We study with particular emphasis the two principal architectures for Kerr comb generation, namely the add-through and add-drop configurations. We show that in both cases, the ratio between out-coupling and total losses plays a key role as it directly determines the efficiency of the squeezing. We also explicitly determine the phase quadratures leading to photon entanglement, and analytically calculate their quantum noise spectra. The relevance of Kerr combs for quantum information systems at optical telecommunication wavelengths is also discussed.

研究动机与目标

• 理解Kerr光频梳中超越半经典近似的量子关联与纠缠。
• 确定光的压缩态在这些频梳中出现的条件。
• 分析耦出与总损耗之比在决定添加-通过与添加-下路配置中压缩效率方面的作用。
• 识别导致光子纠缠的相位正交分量，并计算其量子噪声谱。
• 评估Kerr频梳在光通信波段支持量子信息系统应用的潜力。

提出的方法

• 采用量子噪声方法处理Kerr频梳的半经典模型。
• 通过分析时空模式（条纹与孤子）推导对称边带中的量子关联。
• 使用解析方法确定压缩的最优条件，且不依赖于色散区域或频梳带宽。
• 建模两种关键架构——添加-通过与添加-下路——重点关注耦出与总损耗之比。
• 显式计算与光子纠缠相关的相位正交分量的量子噪声谱。
• 推导多模纠缠与压缩从相同量子关联中产生的条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，Kerr频梳中的量子关联会导致光的压缩态？
• RQ2 耦出效率如何影响添加-通过与添加-下路配置中压缩的生成？
• RQ3 量子关联与纠缠在不同动力学状态（如条纹与孤子）及色散区域中是否具有鲁棒性？
• RQ4 这些系统中导致光子纠缠的相位正交分量是什么？
• RQ5 Kerr频梳在光通信波段支持量子信息应用的程度如何？

主要发现

• Kerr频梳对称边带中的量子关联可在解析确定的最优条件下导致光的压缩态。
• 这些量子关联及由此产生的压缩态在频梳的动力学状态（条纹或孤子）变化下依然具有鲁棒性。
• 频梳的光谱扩展（边带数量）不会限制量子关联或压缩的发生。
• 耦出与总损耗之比是决定添加-通过与添加-下路配置中压缩效率的关键因素。
• 导致光子纠缠的相位正交分量已被明确识别，其量子噪声谱也已通过解析方法计算。
• 研究表明，由于其鲁棒的量子关联与可调谐压缩特性，Kerr频梳是光通信波段量子信息系统的可行平台。