在雙發射體固態系統中，通過強度關聯測量觀察到的超輻射特徵

核心概念

本研究通過強度關聯測量，在鑽石納米柱中的兩個氮空位中心系統中，實驗觀察到光學超輻射現象，並建立了理論模型進行分析。

摘要

在雙發射體固態系統中，通過強度關聯測量觀察到的超輻射特徵

本研究報告了在鑽石納米柱中兩個氮空位 (NV) 中心觀察到的光學超輻射現象的實驗觀察結果，並基於此系統的耗散動力學建立了詳細的分析模型。

量子發射器對量子技術的成功至關重要。
單光子發射已被廣泛研究，而多光子態因其改善量子系統性能的潛力而需要進一步研究。
超輻射是一種集體發射現象，在固態發射器中難以觀察到，因為增強的耗散機制會影響發射器的不可區分性。
有限數量發射器的可控超輻射對於更詳細地理解固態發射器中的此類發射以及可重複技術至關重要。

使用 Hanbury-Brown Twiss (HBT) 實驗測量嵌入鑽石納米柱中的 NV 發射器的強度關聯 (g(2)(τ))。
觀察到單個 NV 中心 (P1、P2、P3) 的 g(2)(0) < 0.5，表明單光子發射。
對於納米柱 P4，觀察到 g(2)(0) > 0.5，表明存在至少兩個發射器。
P4 的 g(2)(τ) 函數表現出三重指數行為，而單個 NV 發射器則表現出標準的雙指數行為。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Signatures of superradiance in intensity correlation measurements in a two-emitter solid-state system

by Madhura Ghos... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2408.01799.pdf

深入探究

超輻射現象在量子信息處理中有哪些潛在應用？

超輻射現象作為一種集體量子效應，在量子信息處理領域有著廣泛的潛在應用：

量子計算: 超輻射可以被用於構建基於多原子糾纏態的量子邏輯門，實現更快、更穩定的量子計算操作。
量子通信: 超輻射可以產生高亮度、窄帶寬的單光子源，提高量子通信的效率和安全性。
量子傳感: 超輻射可以增強量子傳感器的靈敏度和分辨率，例如用於探測微弱磁場、電場和溫度的變化。
量子模擬: 超輻射系統可以用於模擬其他複雜的量子系統，例如凝聚態物理中的多體系統，幫助我們更好地理解和探索量子世界的奧秘。

除了 NV 中心之外，還有哪些其他固態系統可以用於研究超輻射？

除了 NV 中心之外，還有許多其他的固態系統可以用於研究超輻射，例如：

量子點: 量子點是半導體材料中的納米尺度區域，可以像人工原子一樣發射單光子，並且可以通過電學或光學方式進行操控，是研究超輻射的理想平台。
稀土離子摻雜晶體: 稀土離子具有優異的光學和自旋特性，摻雜在晶體中可以形成穩定的量子比特，並且可以通過光學手段實現超輻射。
超導電路: 超導電路是一種宏觀量子系統，可以通過電磁場進行操控，並且可以與微波光子產生強耦合，是研究超輻射和腔量子電動力學的理想平台。
二維材料: 石墨烯、氮化硼等二維材料具有獨特的光學和電子特性，可以形成激子等准粒子，並且可以通過電學或光學方式進行操控，是研究超輻射和其他量子光學現象的新興平台。

如何利用超輻射的特性來增強量子傳感器的靈敏度和分辨率？

超輻射的特性可以被利用來顯著增強量子傳感器的性能：

增強靈敏度: 超輻射系統對外部環境的微小變化非常敏感。這是因為超輻射過程中，所有原子都與共同的電磁場相互作用，任何一個原子的狀態變化都會影響到整個系統的輻射特性。因此，通過監測超輻射信號的變化，可以高靈敏度地探測到微弱的外部擾動。
提高分辨率: 超輻射可以產生窄帶寬的單光子源，這對於提高量子傳感器的分辨率至關重要。窄帶寬的光源可以減少測量過程中的噪聲，從而提高測量的精度。
空間分辨率: 通過將超輻射系統集成到纳米光子结构中，可以实现对微小区域的探测，从而提高传感器的空间分辨率。

例如，基於 NV 中心的超輻射系統可以用於探測微弱磁場。當 NV 中心處於超輻射狀態時，其輻射光的偏振方向會受到外部磁場的影響。通過精確測量輻射光的偏振變化，可以高靈敏度地探測到微弱的磁場變化。
總之，超輻射現象為量子信息處理提供了豐富的物理資源，其在量子計算、量子通信、量子傳感等領域的應用前景十分廣闊。隨著研究的深入，相信超輻射將在未來量子技術的發展中發揮越來越重要的作用。