論文の概要: Phase-space open-systems dynamics of second-order nonlinear interactions with pulsed quantum light

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2512.03933v1
• Date: Wed, 03 Dec 2025 16:30:48 GMT
• ステータス: 情報取得中
• システム内更新日: 2025-12-04 12:00:23.600954
• Title: Phase-space open-systems dynamics of second-order nonlinear interactions with pulsed quantum light
• Title（参考訳）: パルス量子光による二階非線形相互作用の位相空間開系ダイナミクス
• Authors: Emanuel Hubenschmid, Victor Rueskov Christiansen,
• Abstract要約: 非線形要素の入力と出力における量子状態の関係を計算するための効率的な枠組みを提案する。 ここで提示される方法は、ブロードバンド量子状態の増幅や周波数変換の最適化に利用できる。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
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• Abstract: The theoretical description of broadband, multimode quantum pulses undergoing a second-order $χ^{(2)}$-nonlinear interaction can be quite intricate, due to the large dimensionality of the underlying phase space. However, in many cases only a few broadband (temporal) modes are relevant before and after the nonlinear interaction. Here we present an efficient framework to calculate the relation between the quantum states at the input and output of a nonlinear element in their respective relevant modes. Since the number of relevant input and output modes may differ, resulting in an open quantum system, we introduce the generalized Bloch-Messiah decomposition (GBMD), reducing the description to an equal number of input and output modes. The GBMD enables us to calculate the multimode Wigner function of the output state by convolving the rescaled Wigner function of the reduced input quantum pulse with a multivariate Gaussian phase-space function. We expand on this result by considering two examples input states: A Fock state in a single broadband mode and a two-mode squeezed vacuum, both in the THz-frequency regime, up-converted to a single output broadband mode of optical frequencies. We investigate the effect, the convolution and thermalization due to entanglement breakage have on the output Wigner function by calculating the von Neumann entropy of the output Wigner function. The methods presented here can be used to optimize the amplification or frequency conversion of broadband quantum states, opening an avenue to the generation and characterization of optical quantum states on ultrafast time scales.
• Abstract（参考訳）: ブロードバンド、多重モードの量子パルスの理論的な記述は、基礎となる位相空間の次元が大きいため、二階の$シュトン(2)}$-非線形相互作用によってかなり複雑になる。 しかし、多くの場合、非線形相互作用の前後で関係するブロードバンドモードはごくわずかである。 ここでは, それぞれの関連モードにおける非線形要素の入力と出力における量子状態の関係を計算するための効率的な枠組みを提案する。 関連する入力モードと出力モードの数が異なるため、オープンな量子系が得られるため、一般化されたBloch-Messiah分解(GBMD)を導入し、記述を同じ数の入力モードと出力モードに短縮する。 GBMDは,多変量ガウス位相空間関数と縮小入力量子パルスの再スケールウィグナー関数を結合することにより,出力状態の多重モードウィグナー関数を計算することができる。 単一ブロードバンドモードにおけるフォック状態と2モード圧縮真空のいずれにおいても、光周波数の単一出力ブロードバンドモードにアップコンバートすることで、この結果を拡張する。 我々は, エンタングルメント破壊による畳み込みと熱化が, 出力ウィグナー関数のフォン・ノイマンエントロピーを計算することによって出力ウィグナー関数に与える影響について検討する。 ここで提示される方法は、ブロードバンド量子状態の増幅または周波数変換を最適化し、超高速な時間スケールでの光量子状態の生成とキャラクタリゼーションへの道を開くのに利用できる。

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