非線形媒体を介した結合強化によるフォトンブロッキング

Photon blockade by enhancing coupling via a nonlinear medium.

• Jin-Song Liu
• Jun-Ya Yang
• Hong-Yu Liu
• Ai-Dong Zhu

抄録

単一光子結合定数が著しく低いことは、光子遮断による単一光子源の実現に大きな課題となっている。ここでは、弱二次非線形媒質を用いて、低周波空洞内に光パラメトリック増幅器を設置したフォトンブロッキング方式を提案する。従来の弱結合系とは異なり、提案する方式では、空洞モードの減衰率よりも実効結合強度を大幅に高めることができる。これは、元の結合強度が弱くてもスクイーズパラメータを調整することで実現できる。また、スクイーズされた空洞モードの熱雑音は、スクイーズされた真空場によって抑制することができる。確率振幅法を用いて、定常状態における光子遮断の最適条件を求める。定常状態でのマスター方程式を数値的に解くことで、低周波空洞では最適条件に合致した強いフォトンアンチバンチング効果が得られる。また、特定のスクイーズパラメータの下では、光子遮断現象と2つの空洞の相互相関が大幅に増強されることがわかった。本研究の結果は、今後の光子統計学の特性に関する研究に役立つ可能性がある。

A significantly low value of the single-photon coupling constant is a major challenge in the creation of a single-photon source via photon blockade. Here, we propose a photon blockade scheme composed of a weakly second-order nonlinear medium with an optical parametric amplification in a low-frequency cavity. Unlike the traditional weakly coupled system, the effective coupling strength in the proposed scheme can be significantly higher than the decay rate of the cavity mode. This can be achieved by adjusting the squeezing parameter even if the original coupling strength is weak. The thermal noise of the squeezed cavity mode can be suppressed by a squeezed vacuum field. Using a probability amplitude method, we obtain the optimal condition of photon blockade in the steady-state. By solving the master equation numerically in the steady-state, a strong photon antibunching effect that is consistent with the optimal conditions can be obtained in the cavity with low frequency. Besides, the photon blockade phenomenon and cross-correlation of two cavities can be significantly enhanced under a specific squeezing parameter. Our results may be useful for future studies on the characteristics of photon statistics.