論文の概要: Ultrafast non-destructive measurement of the quantum state of light
using free electrons
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2012.12069v1
- Date: Tue, 22 Dec 2020 14:59:31 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-04-19 22:05:07.607024
- Title: Ultrafast non-destructive measurement of the quantum state of light
using free electrons
- Title（参考訳）: 自由電子を用いた超高速光量子状態の非破壊計測
- Authors: Alexey Gorlach, Aviv Karnieli, Raphael Dahan, Eliahu Cohen, Avi Pe'er,
Ido Kaminer
- Abstract要約: 光の完全量子状態の量子光学的検出に自由電子を用いることを提案する。
量子光との相互作用の前後における電子の正確な制御が、光子統計の抽出にどのように役立つかを示す。
我々の研究は、電子-光相互作用の超高速持続時間、高非線形性、非破壊性を利用する新しい種類の光検出器への道を開く。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
- Abstract: Since the birth of quantum optics, the measurement of quantum states of
nonclassical light has been of tremendous importance for advancement in the
field. To date, conventional detectors such as photomultipliers, avalanche
photodiodes, and superconducting nanowires, all rely at their core on linear
excitation of bound electrons with light, posing fundamental restrictions on
the detection. In contrast, the interaction of free electrons with light in the
context of quantum optics is highly nonlinear and offers exciting
possibilities. The first experiments that promoted this direction appeared over
the past decade as part of photon-induced nearfield electron microscopy
(PINEM), wherein free electrons are capable of high-order multi-photon
absorption and emission. Here we propose using free electrons for
quantum-optical detection of the complete quantum state of light. We show how
the precise control of the electron before and after its interaction with
quantum light enables to extract the photon statistics and implement full
quantum state tomography using PINEM. This technique can reach sub-attosecond
time resolutions, measure temporal coherence of any degree (e.g., g(1), g(2)),
and simultaneously detect large numbers of photons with each electron.
Importantly, the interaction of the electron with light is non-destructive,
thereby leaving the photonic state (modified by the interaction) intact, which
is conceptually different from conventional detectors. By using a pulse of
multiple electrons, we envision how PINEM quantum detectors could achieve a
single-shot measurement of the complete state of quantum light, even for
non-reproducible emission events. Altogether, our work paves the way to novel
kinds of photodetectors that utilize the ultrafast duration, high nonlinearity,
and non-destructive nature of electron-light interactions.
- Abstract（参考訳）: 量子光学の誕生以来、非古典的な光の量子状態の測定はこの分野の進歩にとって非常に重要である。
これまで、光増倍器、アバランシェフォトダイオード、超伝導ナノワイヤなどの従来の検出器はいずれも、光と結合した電子の線形励起に依存しており、検出の基本的な制限となっている。
対照的に、量子光学の文脈における自由電子と光の相互作用は非常に非線形であり、エキサイティングな可能性をもたらす。
この方向を推し進める最初の実験は、光子誘起近接場電子顕微鏡(PINEM)の一部として過去10年間に行われ、自由電子は高次多光子吸収と放出を行うことができる。
本稿では、自由電子を用いた光の全量子状態の量子光学検出を提案する。
量子光と相互作用する前後の電子の正確な制御によって光子統計を抽出し、PINEMを用いた完全な量子状態トモグラフィーを実現する方法を示す。
この技術はアト秒以下の時間分解能に到達し、任意の次数の時間的コヒーレンス(g(1), g(2))を測定し、各電子で大量の光子を同時に検出することができる。
重要なことに、電子と光の相互作用は非破壊的であり、したがって光状態(相互作用によって変化する)はそのまま残され、従来の検出器と概念的に異なる。
複数の電子のパルスを用いて、PINEM量子検出器が、再現不可能な放出イベントであっても、量子光の完全な状態を単一ショットで測定する方法を想像する。
我々の研究は、電子-光相互作用の超高速持続時間、高非線形性、非破壊性を利用する新しい種類の光検出器への道を開いた。
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