論文の概要: Ultrafast second-order nonlinear photonics -- from classical physics to
non-Gaussian quantum dynamics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2401.06265v3
- Date: Wed, 17 Jan 2024 06:33:24 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-01-18 11:34:22.220093
- Title: Ultrafast second-order nonlinear photonics -- from classical physics to
non-Gaussian quantum dynamics
- Title（参考訳）: 超高速二階非線形フォトニクス-古典物理学から非ガウス量子力学へ
- Authors: Marc Jankowski, Ryotatsu Yanagimoto, Edwin Ng, Ryan Hamerly, Timothy
P. McKenna, Hideo Mabuchi, and M. M. Fejer
- Abstract要約: 最先端のデバイスは、連続波レーザーによって駆動される何千もの光子との飽和非線形相互作用を実現する。
超高速パルスはすぐに非線形光学を単一光子非線形性の領域に押し込むかもしれない。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
- Abstract: Photonic integrated circuits with second-order ($\chi^{(2)}$) nonlinearities
are rapidly scaling to remarkably low powers. At this time, state-of-the-art
devices achieve saturated nonlinear interactions with thousands of photons when
driven by continuous-wave lasers, and further reductions in these energy
requirements enabled by the use of ultrafast pulses may soon push nonlinear
optics into the realm of single-photon nonlinearities. This tutorial reviews
these recent developments in ultrafast nonlinear photonics, discusses design
strategies for realizing few-photon nonlinear interactions, and presents a
unified treatment of ultrafast quantum nonlinear optics using a framework that
smoothly interpolates from classical behaviors to the few-photon scale. These
emerging platforms for quantum optics fundamentally differ from typical
realizations in cavity quantum electrodynamics due to the large number of
coupled optical modes. Classically, multimode behaviors have been well studied
in nonlinear optics, with famous examples including soliton formation and
supercontinuum generation. In contrast, multimode quantum systems exhibit a far
greater variety of behaviors, and yet closed-form solutions are even sparser
than their classical counterparts. In developing a framework for ultrafast
quantum optics, we will identify what behaviors carry over from classical to
quantum devices, what intuition must be abandoned, and what new opportunities
exist at the intersection of ultrafast and quantum nonlinear optics. While this
article focuses on establishing connections between the classical and quantum
behaviors of devices with $\chi^{(2)}$ nonlinearities, the frameworks developed
here are general and are readily extended to the description of dynamical
processes based on third-order ($\chi^{(3)}$) nonlinearities.
- Abstract（参考訳）: 2階(\chi^{(2)}$)の非線形性を持つフォトニック集積回路は急速に低電力に拡大している。
このとき、最先端のデバイスは連続波レーザーによって駆動される際に数千個の光子と飽和な非線形相互作用を達成し、超高速パルスによって実現されるこれらのエネルギー要求のさらなる削減は、すぐに非線形光学を単光子非線形性の領域に押し込むかもしれない。
本稿では、超高速非線形フォトニクスにおける最近の展開を概観し、極小光子非線形相互作用を実現するための設計戦略を論じ、古典的振る舞いから極小光子スケールまでスムーズに補間する枠組みを用いて超高速量子非線形光学を統一的に扱うことを提案する。
これらの量子光学用プラットフォームは、多数の結合光学モードのために空洞量子力学の典型的な実現と根本的に異なる。
古典的には、多重モードの挙動は非線形光学においてよく研究されており、ソリトン形成や超連続生成などの有名な例がある。
対照的に、マルチモード量子系はより多様な振る舞いを示すが、閉形式解は古典的解よりもさらにスパースである。
超高速量子光学の枠組みを開発する際には、古典的から量子的デバイスへどのような行動が受け継がれるのか、どんな直観を捨てるべきなのか、超高速および量子非線形光学の交点に新しい機会が存在するのかを識別する。
この記事では、$\chi^{(2)}$ の非線形性を持つデバイスの古典的および量子的挙動の接続を確立することに焦点を当てるが、ここで開発されたフレームワークは一般に、第三次($\chi^{(3)}$)非線形性に基づく動的過程の記述に容易に拡張できる。
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