論文の概要: Quantum theory of single-photon nonlinearities generated by ensembles of
emitters
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2307.01375v1
- Date: Mon, 3 Jul 2023 22:02:51 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2023-07-06 18:54:51.940108
- Title: Quantum theory of single-photon nonlinearities generated by ensembles of
emitters
- Title（参考訳）: エミッタのアンサンブルによる単一光子非線形性の量子理論
- Authors: Kurt Jacobs, Stefan Krastanov, Mikkel Heuck, Dirk R. Englund
- Abstract要約: 単一エミッタとアンサンブルによる光非線形性の生成の理論を示す。
この理論は、長い間不明瞭であったアンサンブルの重要な性質を明らかにしている。
また、任意の多レベル駆動方式の非線形性を計算する効率的な方法も提供する。
- 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: The achievement of sufficiently fast interactions between two optical fields
at the few-photon level would provide a key enabler for a broad range of
quantum technologies. One critical hurdle in this endeavor is the lack of a
comprehensive quantum theory of the generation of nonlinearities by ensembles
of emitters. Distinct approaches applicable to different regimes have yielded
important insights: i) a semiclassical approach reveals that, for many-photon
coherent fields, the contributions of independent emitters add independently
allowing ensembles to produce strong optical nonlinearities via EIT; ii) a
quantum analysis has shown that in the few-photon regime collective coupling
effects prevent ensembles from inducing these strong nonlinearities. Rather
surprisingly, experimental results with around twenty photons are in line with
the semi-classical predictions. Theoretical analysis has been fragmented due to
the difficulty of treating nonlinear many-body quantum systems. Here we are
able to solve this problem by constructing a powerful theory of the generation
of optical nonlinearities by single emitters and ensembles. The key to this
construction is the application of perturbation theory to perturbations
generated by subsystems. This theory reveals critical properties of ensembles
that have long been obscure. The most remarkable of these is the discovery that
quantum effects prevent ensembles generating single-photon nonlinearities only
within the rotating-wave regime; outside this regime single-photon
nonlinearities scale as the number of emitters. The theory we present here also
provides an efficient way to calculate nonlinearities for arbitrary multi-level
driving schemes, and we expect that it will prove a powerful foundation for
further advances in this area.
- Abstract（参考訳）: 数光子レベルでの2つの光学場間の十分な速さの相互作用の達成は、幅広い量子技術にとって鍵となる。
この取り組みにおける重要なハードルは、エミッターのアンサンブルによる非線形性の生成に関する包括的量子理論の欠如である。
異なる体制に当てはまる個別のアプローチは、重要な洞察をもたらした。
一 半古典的アプローチにより、多光子コヒーレント場において、独立エミッタの寄与が独立に加わり、eitを介して強い光学的非線形性を作り出すことができる。
二 量子解析により、少数光子配位子における集団結合効果は、これらの強い非線形性をアンサンブルが引き起こさないことが示されている。
驚くべきことに、約20個の光子による実験結果は、半古典的予測と一致している。
非線形多体量子システムを扱いにくいため、理論的解析は断片化されてきた。
ここでは、単一エミッタとアンサンブルによる光学非線形性の生成に関する強力な理論を構築することにより、この問題を解決できる。
この構成の鍵は、サブシステムによって生成される摂動への摂動理論の適用である。
この理論は、長い間不明瞭だったアンサンブルの批判的性質を明らかにする。
これらの最も顕著な発見は、量子効果が回転波状態内でのみ単一光子非線形性を生成するアンサンブルを防止していることである。
ここで提示する理論は、任意の多レベル駆動スキームの非線形性を計算する効率的な方法を提供し、この分野におけるさらなる進歩のための強力な基礎となることを期待する。
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