論文の概要: An ab initio framework for understanding and controlling quantum fluctuations in highly multimoded light-matter systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2311.05535v1
• Date: Thu, 9 Nov 2023 17:26:56 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-11-10 14:26:16.195390
• Title: An ab initio framework for understanding and controlling quantum fluctuations in highly multimoded light-matter systems
• Title（参考訳）: 高マルチモーダル光マッター系における量子揺らぎの理解と制御のためのab initioフレームワーク
• Authors: Shiekh Zia Uddin, Nicholas Rivera, Devin Seyler, Yannick Salamin, Jamison Sloan, Charles Roques-Carmes, Shutao Xu, Michelle Sander, and Marin Soljacic
• Abstract要約: 光と物質の多モード系における量子ノイズを記述するための新しい理論的枠組みを導入,実験的に検証した。 超高速マルチモードシステムの量子ノイズ力学において、我々の理論の未解明側面をテストする実験を開発する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.4130869932877583
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: Quantum mechanics imposes fluctuations onto physical quantities, leading to sources of noise absent in the classical world. For light, quantum fluctuations limit many applications requiring high sensitivities, resolutions, or bandwidths. In many cases, taming quantum fluctuations requires dealing with highly multimode systems with both light and matter degrees of freedom - a regime which has traditionally eluded mechanistic insights, and for which general rules are largely lacking. In this work, we introduce and experimentally test a new theoretical framework for describing quantum noise in multimode systems of light and matter, called quantum sensitivity analysis. The framework leads to new general rules and mechanisms for quantum noise propagation - and accurately models all known quantum noise phenomena in nonlinear optics. We develop experiments to test unexplored aspects of our theory in the quantum noise dynamics of ultrafast multimode systems. For example, in physical effects related to supercontinuum generation, we observe and account for a proliferation of ultra low-noise pairs of wavelengths, despite that individual wavelengths are very noisy due to strong nonlinear amplification of vacuum fluctuations. We then show that by taking advantage of the spectral dynamics of quantum noise, it is possible to generate quantum light states, such as squeezed states, even with very noisy and complex light states - by exploiting the spectral dynamics of vacuum fluctuations undergoing nonlinearity and Raman scattering. Effects like these can widely extend the range of sources that can be used for quantum metrology, bringing quantum optics to higher powers and more complex sources. Broadly, the framework we developed will enable many new approaches for realizing light sources across the entire electromagnetic spectrum whose performance approaches ultimate limits set by quantum mechanics.
• Abstract（参考訳）: 量子力学は物理量にゆらぎを課し、古典世界にないノイズの原因となる。 光の場合、量子揺らぎは高感度、解像度、帯域幅を必要とする多くのアプリケーションを制限する。 多くの場合、量子揺らぎを改ざんするには、光と物質の両方の自由度を持つ高度にマルチモードなシステムを扱う必要がある。 本研究では,光・物質多モード系における量子ノイズを記述するための新しい理論的枠組みを,量子感度解析により導入し,実験的に検証する。 この枠組みは量子ノイズ伝搬の新しい一般的な規則と機構を導き、非線形光学における既知の全ての量子ノイズ現象を正確にモデル化する。 超高速マルチモードシステムの量子ノイズ力学における理論の未解明側面をテストする実験を開発した。 例えば、超連続生成に関する物理的効果では、真空変動の強い非線形増幅により個々の波長が非常にノイズが大きいにもかかわらず、超低雑音対の波長の拡散を観察し、説明する。 次に、量子ノイズのスペクトル力学を利用して、非線形性やラマン散乱の真空変動のスペクトル力学を利用して、非常にノイズの多い複雑な光状態であっても、圧縮状態のような量子光状態を生成することができることを示す。 このような効果は、量子メートルロジーに使える光源の範囲を広く広げ、より高いパワーとより複雑なソースに量子光学をもたらすことができる。 私たちが開発したフレームワークは、量子力学によって設定された究極の限界にパフォーマンスが近づく電磁スペクトル全体にわたる光源を実現するための、多くの新しいアプローチを可能にします。

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