論文の概要: Strong coupling and single-photon nonlinearity in free-electron quantum optics
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2403.13071v1
- Date: Tue, 19 Mar 2024 18:05:56 GMT
- ステータス: 処理完了
- システム内更新日: 2024-03-21 18:56:56.824577
- Title: Strong coupling and single-photon nonlinearity in free-electron quantum optics
- Title（参考訳）: 自由電子量子光学系における強結合と単一光子非線形性
- Authors: Aviv Karnieli, Charles Roques-Carmes, Nicholas Rivera, Shanhui Fan,
- Abstract要約: 自由電子ファイバーとは、自由電子が2つの誘導モードで共伝播する1次元フォトニックシステムである。
我々は、決定論的単一光子放出や複素非線形多モードダイナミクスなど、我々のシステムにおけるいくつかの興味深い観測可能な量子効果を予測する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.1874930567916036
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: The observation that free electrons can interact coherently with quantized electromagnetic fields and matter systems has led to a plethora of proposals leveraging the unique quantum properties of free electrons. At the heart of these proposals lies the assumption of a strong quantum interaction between a flying free electron and a photonic mode. However, existing schemes are intrinsically limited by electron diffraction, which puts an upper bound on the interaction length and therefore the quantum coupling strength. Here, we propose the use of "free-electron fibers'': effectively one-dimensional photonic systems where free electrons co-propagate with two guided modes. The first mode applies a ponderomotive trap to the free electron, effectively lifting the limitations due to electron diffraction. The second mode strongly couples to the guided free electron, with an enhanced coupling that is orders of magnitude larger than previous designs. Moreover, the extended interaction lengths enabled by our scheme allows for strong single-photon nonlinearities mediated by free electrons. We predict a few interesting observable quantum effects in our system, such as deterministic single-photon emission and complex, nonlinear multimode dynamics. Our proposal paves the way towards the realization of many anticipated effects in free-electron quantum optics, such as non-Gaussian light generation, deterministic single photon emission, and quantum gates controlled by free-electron--photon interactions.
- Abstract（参考訳）: 自由電子が量子化された電磁場や物質系とコヒーレントに相互作用できるという観測は、自由電子のユニークな量子的性質を活用する多くの提案につながった。
これらの提案の中心には、空飛ぶ自由電子とフォトニックモードの間の強い量子相互作用の仮定がある。
しかし、既存のスキームは電子回折によって本質的に制限され、相互作用長と量子カップリング強度に上限が与えられる。
ここでは、自由電子が2つの誘導モードで共伝播する「自由電子ファイバー」を効果的に1次元フォトニックシステムとして使用することを提案する。
第1モードは、自由電子に雷動トラップを適用し、電子回折による限界を効果的に引き上げる。
第2モードはガイドされた自由電子に強く結合し、以前の設計よりも桁違いに大きい結合が強化される。
さらに,提案手法によって実現された相互作用長の延長により,自由電子を介する強い単一光子非線形性を実現することができる。
我々は、決定論的単一光子放出や複素非線形多モードダイナミクスなど、我々のシステムにおけるいくつかの興味深い観測可能な量子効果を予測する。
我々の提案は、非ガウス光発生、決定論的単一光子放出、自由電子-光子相互作用によって制御される量子ゲートなど、自由電子量子光学における多くの期待される効果の実現に向けた道を開くものである。
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