論文の概要: Directional quantum scattering transducer in cooperative Rydberg metasurfaces
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.27654v1
- Date: Fri, 31 Oct 2025 17:27:14 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-11-03 17:52:16.183782
- Title: Directional quantum scattering transducer in cooperative Rydberg metasurfaces
- Title（参考訳）: ライドベルク超曲面における指向性量子散乱トランスデューサ
- Authors: Jonas von Milczewski, Kelly Werker Smith, Susanne F. Yelin,
- Abstract要約: Rydberg配列における4波混合および量子散乱を用いた単一光子変換方式を提案する。
提案手法は, 自由空間4波混合の広帯域受信と, 協調的中表面の効率, 方向性, チューニング性を組み合わせたものである。
量子コヒーレントな THz の検出と処理、天体分光、量子ネットワークによるスパース・アパーチャ・イメージング、その他の量子センシングアプリケーションへのルートを提供する。
- 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: We present a single-photon transduction scheme using 4-wave-mixing and quantum scattering in planar, cooperative Rydberg arrays that is both efficient and highly directional and may allow for terahertz-to-optical transduction. In the 4-wave-mixing scheme, two lasers drive the system, coherently trapping the system in a dark ground-state and coupling a signal transition, that may be in the terahertz, to an idler transition that may be in the optical. The photon-mediated dipole-dipole interactions between emitters generate collective super-/subradiant dipolar modes, both on the signal and the idler transition. As the array is cooperative with respect to the signal transition, an incident signal photon can efficiently couple into the array and is admixed into dipolar idler modes by the drive. Under specific criticality conditions, this admixture is into a superradiant idler mode which primarily decays into a specific, highly directional optical photon that propagates within the array plane. Outside of the array, this photon may then be coupled into existing quantum devices for further processing. Using a scattering-operator formalism we derive resonance and criticality conditions that govern this two-step process and obtain analytic transduction efficiencies. For infinite lattices, we predict transduction efficiencies into specific spatial directions of up to 50%, while the overall, undirected transduction efficiency can be higher. An analysis for finite arrays of $N^2$ emitters, shows that the output is collimated into lobes that narrow as $1/\sqrt{N}$. Our scheme combines the broadband acceptance of free-space 4-wave mixing with the efficiency, directionality and tunability of cooperative metasurfaces, offering a route towards quantum-coherent THz detection and processing for astronomical spectroscopy, quantum-networked sparse-aperture imaging and other quantum-sensing applications.
- Abstract（参考訳）: 本研究では, 4光波混合と量子散乱を用いた単一光子変換方式を提案する。
4波混合方式では、2つのレーザーが系を駆動し、暗黒の基底状態で系をコヒーレントにトラップし、テラヘルツ内にある信号遷移を光学系にあるアイドラ遷移に結合する。
光子を介するエミッタ間の双極子-双極子相互作用は、信号とアイドラー遷移の両方において、超/亜ラジカルの双極子モードを生成する。
アレイは信号遷移に関して協調的であるため、入射信号光子は効率よくアレイに結合することができ、ドライブによって双極子アイドラーモードに付加される。
特定の臨界条件下では、この混合は超放射イドラーモードとなり、主にアレイ平面内で伝播する特定の高方向光子に崩壊する。
アレイの外では、この光子を既存の量子デバイスに結合してさらなる処理を行うことができる。
散乱演算フォーマリズムを用いて、この2段階のプロセスを管理する共鳴と臨界条件を導出し、解析的トランスダクション効率を得る。
無限格子の場合、最大50%の空間方向へのトランスダクション効率を予測できるが、全体的な非指向的トランスダクション効率は高い。
N^2$エミッターの有限配列の解析は、出力が1/\sqrt{N}$という狭いローブにまとめられることを示している。
提案手法は, 自由空間4波混合のブロードバンド受信と, 協調的準曲面の効率, 方向性, チューニング性を組み合わせたもので, 量子コヒーレントな THz 検出・処理, 量子ネットワークによるスパースアパーチャイメージング, その他の量子センシング応用のための経路を提供する。
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