論文の概要: On-chip high-order parametric downconversion in the excitonic Mott insulator Nb$_3$Cl$_8$ for programmable multiphoton entangled states
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.01874v1
- Date: Mon, 01 Dec 2025 16:56:36 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-12-02 19:46:34.970346
- Title: On-chip high-order parametric downconversion in the excitonic Mott insulator Nb$_3$Cl$_8$ for programmable multiphoton entangled states
- Title（参考訳）: プログラマブル多光子絡み合った状態に対する励起モット絶縁体Nb$_3$Cl$_8$のオンチップ高次パラメトリックダウンコンバージョン
- Authors: Dmitry Skachkov, Dirk R. Englund, Michael N. Leuenberger,
- Abstract要約: 呼吸するカゴメ格子上の励起モット絶縁体であるNb$_3$Cl$_8$は、非常に大きな非線形感受性を7階まで支持する。
実験的に実証された1$times N$積分ビームスプリッタを任意のパワー比で構築し、各出力アームがNb$_3$Cl$_8$パッチをホストするオンチップアーキテクチャを提案する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Spontaneous parametric downconversion (SPDC) and four-wave mixing in $χ^{(2)}$ and $χ^{(3)}$ media underpin most entangled-photon sources, but direct generation of higher-order entangled multiphoton states by $n$-th order parametric downconversion remains extremely challenging because conventional materials exhibit tiny high-order nonlinearities. Here we show that single-layer Nb$_3$Cl$_8$, an excitonic Mott insulator on a breathing Kagome lattice, supports exceptionally large nonlinear susceptibilities up to seventh order. Many-body GW--Bethe--Salpeter and time-dependent BSE / Kadanoff--Baym simulations yield resonant $χ^{(2)}$--$χ^{(7)}$ for monolayer Nb$_3$Cl$_8$, with $|χ^{(4)}|$ and $|χ^{(5)}|$ surpassing values in prototypical transition metal dichalcogenides by 5--9 orders of magnitude. We trace this enhancement to flat bands and strongly bound Frenkel excitons with ferroelectrically aligned out-of-plane dipoles. Building on experimentally demonstrated 1$\times N$ integrated beam splitters with arbitrary power ratios, we propose an on-chip architecture where each output arm hosts an Nb$_3$Cl$_8$ patch, optionally gated by graphene to tune the complex $n$-photon amplitudes. Using the ab-initio $χ^{(3)}$ and $χ^{(4)}$ values, we predict that three-photon GHZ$_3$ and four-photon cluster-state sources in this platform can achieve $n$-photon generation rates up to $\sim 10^8$ and $\sim 10^6$ times larger, respectively, than silica-fiber- and MoS$_2$-based implementations with comparable geometry. We derive the quantum Hamiltonian and explicit $n$-photon generation rates for this platform, and show how suitable interferometric networks enable electrically and spectrally tunable GHZ, $W$, and cluster states based on genuine high-order nonlinear processes in a 2D excitonic Mott insulator.
- Abstract（参考訳）: 自発パラメトリックダウンコンバージョン (SPDC) と 4波混合は、ほとんどの絡み合った光子源を媒介するが、従来の材料はわずかに高次非線形性を示すため、n次パラメトリックダウンコンバージョンによる高次多光子状態の直接生成は極めて困難である。
ここでは, 呼気カゴメ格子上の励起モット絶縁体であるNb$_3$Cl$_8$が, 非常に大きな非線形感受性を7次まで支持していることを示す。
多体 GW-Bethe-Salpeter および時間依存 BSE / Kadanoff-Baym シミュレーションは、単分子膜 Nb$_3$Cl$_8$ に対して Nb$_3$Cl$_8$ を 5-9 桁の原型遷移金属シクロコゲナイドの値を超える値を持つ。
平面外双極子と強結合されたフレンケル励起子と、強誘電率で配向した平面外双極子にこの拡張を追尾する。
実験的に実証された1$\times N$積分ビームスプリッターを任意のパワー比で構築し、各出力アームがNb$_3$Cl$_8$パッチをホストするオンチップアーキテクチャを提案する。
このプラットフォームの3光子 GHZ$_3$ と 4光子クラスタ状態のソースは、それぞれシリカファイバーとMoS$2$ の2倍の大きさの$n$フォトトン生成速度を達成できると予測する。
このプラットフォームに対して量子ハミルトニアンおよび明示的な$n$光子生成率を導出し、電気的およびスペクトル的に調整可能なGHZ、$W$およびクラスター状態が、2次元励起モット絶縁体における真の高次非線形過程に基づいていかに適切なインターフェロメトリネットワークを実現するかを示す。
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