[论文解读] Shaping field correlations with quantum antennas

Alexander Mikhalychev, D. Mogilevtsev+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 8, 2017

Quantum Information and Cryptography参考文献 37被引用 6

一句话总结

本文提出了一种量子天线框架，通过调控发射体阵列的初始量子态，实现对空间场关联（如纠缠和强度分布）的调控，从而控制二阶及更高阶关联函数。与经典天线不同，该方法在不改变场振幅或强度的前提下操控量子关联，实现了定向双光子发射，并通过态工程与量子态反演技术抑制远场辐射。

ABSTRACT

Quantum antennas can shape the spatial entanglement of emitted photons originating from specific initial non-Dicke entangled states of antenna emitters. In contrast to a classical antenna, a quantum antenna might not be affecting the amplitudes and intensities distribution of the field, but only shaping the second and higher order correlations. The shape and directivity of the correlations can be optimized using quantum state inference techniques. The character of the correlations can also be controlled by changing both the geometry and the initial state of the antenna. Positive and negative correlated twin-photons, as well as multi-photons entangled states can be produced from the same antenna for different initial states of the emitters. Our approach to antenna design can find applications in imaging and high-precision sensing, as well as in the development of an emitter-field interface for quantum information processing.

研究动机与目标

• 开发一种设计量子天线的方法，以超越经典辐射图样的方式控制发射光的空间关联。
• 证明通过调控发射体的量子态，可在不改变场振幅或强度的前提下，产生定制化的二阶及更高阶关联函数。
• 仅通过改变相同的天线几何结构但采用不同的初始态，实现对光子对发射方向性的控制（同向与反向）。
• 探索通过特定初始态实现远场辐射抑制，模拟非辐射源的行为。
• 利用半经典的模型验证量子场行为，该模型能捕捉关键的量子关联特征。

提出的方法

• 使用远场空间分布的量子场算符，对沿轴线排列、具有相同偶极矩的N个非相互作用两能级发射体（TLS）线性阵列进行建模。
• 利用正频率场算符描述空间场分布，通过依赖于发射体-场几何结构的相位因子引入发射体位置与偶极取向的影响。
• 采用带朗之万噪声项的主方程方法模拟弛豫与退相干过程，假设弛豫时间较长以利于实现超辐射。
• 从依赖于发射体相干项 $ \tilde{R}^{(j)} $ 的振幅 $ \tilde{A}(\theta_1, \theta_2) $ 推导二阶关联函数 $ G^{2}(\theta_1, \theta_2) $。
• 应用量子态反演技术，优化发射体阵列的初始态，以实现期望的关联图案，包括定向双光子发射。
• 通过半经典模型验证结果：从经典场振幅与相干项推导出坡印廷矢量与关联函数，在特定条件下与量子预测一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过调控多发射体天线的初始量子态，来塑造发射光子的二阶空间关联函数？
• RQ2 是否仅通过改变初始态，即可在相同天线几何结构下产生同向与反向双光子发射？
• RQ3 是否可通过选择特定初始纠缠态，实现对量子天线远场辐射的有效抑制？
• RQ4 半经典模型在多大程度上能准确描述量子天线中的高阶场关联？
• RQ5 发射体阵列的几何结构与初始态如何共同影响量子场关联的指向性与结构特征？

主要发现

• 通过仅改变发射体的初始态，同一量子天线设计可实现同向与反向双光子发射，展示了态依赖的指向性。
• 特定初始态可显著抑制远场辐射，即使系统通过超辐射发射光子，也能有效实现非辐射源行为。
• 二阶关联函数 $ G^{2}(\theta_1, \theta_2) $ 与振幅的模平方 $ |\tilde{A}(\theta_1, \theta_2)|^2 $ 成正比，而该振幅依赖于相干项 $ \tilde{R}^{(j)} $，从而实现对关联图案的精确调控。
• 在镜像噪声配置下，关联图案保持时间不变，且与纯量子情况一致，验证了半经典模型在对称条件下的准确性。
• 在非镜像噪声情况下，关联图案出现微小时间波动，但最大值位置与量子情况保持一致，表明关联结构具有鲁棒性。
• 该方法通过定制光子关联函数，可实现超分辨率成像与高精度传感，因为高阶关联可揭示非经典场特征。