論文の概要: Complete condensation of photon noise in nonlinear dissipative systems
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2111.03099v2
- Date: Sun, 20 Feb 2022 12:42:18 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-03-09 04:23:51.681676
- Title: Complete condensation of photon noise in nonlinear dissipative systems
- Title（参考訳）: 非線形散逸系における光子ノイズの完全縮合
- Authors: Nicholas Rivera, Jamison Sloan, Yannick Salamin, Marin Soljacic
- Abstract要約: フォック状態はボゾン場の最も基本的な量子状態である。
しかし、フォック状態は生成するのが非常に難しいことで知られている。
本稿では, 散逸の相互作用とKerr非線形性から生じる非線形ボソンの物理における新しい効果を紹介する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 2.67771536773764
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Fock states are the most fundamental quantum states of bosonic fields,
forming an important basis for understanding their quantum dynamics. As energy
and number eigenstates, they have an exactly defined number of quanta, and most
faithfully express the particle nature of fields. These properties make them
attractive for many applications in metrology, and quantum simulation and
information processing. Yet, Fock states are notoriously difficult to generate.
The problem is especially acute in optics, where it is difficult to
deterministically produce Fock states with more than a single photon, let alone
at macroscopic scales. This is in part due to a dearth of mechanisms to produce
large Fock states, as well as the deleterious effects of linear dissipation.
Here, we introduce a new effect in the physics of nonlinear bosons, arising
from the interplay of dissipation and Kerr nonlinearity. In this effect, a
nonlinear resonance is dissipationless when it has a particular number of
quanta (e.g., photons) inside it, and lossy otherwise. This loss, which results
from nonlinear interference, leads to several new quantum statistical effects.
For example, it leads to spontaneous condensation of intensity noise, which may
enable generation of large Fock and extremely photon-number-squeezed states of
light. We also show how this effect has implications for new classes of
optoelectronic devices such as lasers, which can stabilize extremely low-noise
states in an equilibrium between gain and the nonlinear loss that we introduce.
Throughout the text, we present examples of systems that may realize these
effects. In one, we show how the nonlinear dissipation could lead to optical
Fock states of $n=1000$, while in another, we show how conventional laser
architectures could be used to generate macroscopic light ($>10^{12}$ photons)
with nearly 95% less noise than the standard quantum limit.
- Abstract（参考訳）: フォック状態はボゾン場の最も基本的な量子状態であり、それらの量子力学を理解するための重要な基礎を形成する。
エネルギーおよび数固有状態として、それらは正確に定義された数の量子を持ち、最も忠実に場の粒子の性質を表現する。
これらの性質は、メトロロジーや量子シミュレーションや情報処理における多くの応用にとって魅力的である。
しかし、フォック状態の生成は非常に難しい。
この問題は特に光学において深刻であり、巨視的なスケールだけでは、単一光子以上のフォック状態を決定論的に生成することは困難である。
これは、大きなフォック状態を生成する機構の喪失と、線形散逸による有害な影響によるものである。
本稿では, 散逸とケラー非線形性の相互作用から生じる非線形ボソンの物理学における新たな効果を紹介する。
この効果では、非線形共鳴は、その内部に特定の数の量子数(例えば光子)を持つとき、散逸しない。
非線形干渉によるこの損失は、いくつかの新しい量子統計的効果をもたらす。
例えば、インテンシティノイズは自発的に凝縮し、大きなフォックと極端に光子数の多い状態を生成することができる。
また、この効果が、利得と非線形損失の平衡において極端に低ノイズ状態を安定化できるレーザーなどの光電子デバイスにどのように影響するかを示す。
テキスト全体を通して,これらの効果を実現するシステムの例を示す。
1つは、非線形散逸が光学的フォック状態の$n=1000$にどのように寄与するかを示し、もう1つは、従来のレーザーアーキテクチャが標準量子限界よりも95%低いノイズでマクロな光(>10^{12}$光子)を発生させる方法を示す。
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