Quantum noise dynamics in nonlinear pulse propagation (2307.05464v1)
Abstract: The propagation of ultrafast pulses in dispersion-engineered waveguides, exhibiting strong field confinement in both space and time, is a promising avenue towards single-photon nonlinearities in an all-optical platform. However, quantum engineering in such systems requires new numerical tools and physical insights to harness their complicated multimode and nonlinear quantum dynamics. In this work, we use a self-consistent, multimode Gaussian-state model to capture the nonlinear dynamics of broadband quantum fluctuations and correlations, including entanglement. Notably, despite its parametrization by Gaussian states, our model exhibits nonlinear dynamics in both the mean field and the quantum correlations, giving it a marked advantage over conventional linearized treatments of quantum noise, especially for systems exhibiting gain saturation and strong nonlinearities. Numerically, our approach takes the form of a Gaussian split-step Fourier (GSSF) method, naturally generalizing highly efficient SSF methods used in classical ultrafast nonlinear optics; the equations for GSSF evaluate in $O(M2\log M)$ time for an $M$-mode system with $O(M2)$ quantum correlations. To demonstrate the broad applicability of GSSF, we numerically study quantum noise dynamics and multimode entanglement in several ultrafast systems, from canonical soliton propagation in third-order ($\chi{(3)}$) waveguides to saturated $\chi{(2)}$ broadband parametric generation and supercontinuum generation, e.g., as recently demonstrated in thin-film lithium niobate nanophotonics.
- D. F. Walls, Nature 306, 141 (1983).
- C. K. Hong, Z. Y. Ou, and L. Mandel, Phys. Rev. Lett. 59, 2044 (1987).
- J. P. Gordon and H. A. Haus, Opt. Lett. 11, 665 (1986).
- V. Giovannetti, S. Lloyd, and L. Maccone, Nat. Photon. 5, 222 (2011).
- L. Pezzé and A. Smerzi, Phys. Rev. Lett. 100, 073601 (2008).
- The LIGO Scientific Collaboration, Nat. Photon. 7, 613 (2013).
- Y. Ozeki, Y. Miyawaki, and Y. Taguchi, J. Opt. Soc. Am. B 37, 3288 (2020).
- S. Takeda and A. Furusawa, APL Photonics 4, 060902 (2019).
- M. Jankowski, J. Mishra, and M. M. Fejer, J. Phys. Photon. 3, 042005 (2021).
- M. Zhao and K. Fang, Optica 9, 258 (2022).
- A. Gilchrist, C. W. Gardiner, and P. D. Drummond, Nat. Phys. 55, 3014 (1997).
- P. D. Drummond and M. Hillery, The Quantum Theory of Nonlinear Optics (Cambridge University Press, 2014).
- S. Olivares, Eur. Phys. J. Special Topics 203, 3 (2012).
- S. L. Braunstein and P. van Loock, Rev. Mod. Phys. 77, 513 (2005).
- L. A. Lugiato and R. Lefever, Phys. Rev. Lett. 58, 2209 (1987).
- V. E. Zakharov and A. B. Shabat, Sov. Phys. JETP 34, 62 (1972).
- M. Tlidi and M. Taki, Adv. Opt. Photonics 14, 87 (2022).
- Y. S. Kivshar and G. P. Agrawal, Optical Solitons (Academic Press, 2003).
- Y. S. Kivshar and B. Luther-Davies, Phys. Rep. 298, 81 (1998).
- P. Grelu and N. Akhmediev, Nat. Phys. 6, 84 (2012).
- A. Hosaka, T. Kawamori, and F. Kannari, Phys. Rev. A 94, 053833 (2016).
- H. A. Haus and Y. Lai, J. Opt. Soc. Am. B 7, 386 (1990).
- L. G. Helt and N. Quesada, J. Phys. Photonics 2, 035001 (2020).
- R. Schack and A. Schenzle, Phys. Rev. A 41, 3847 (1990).
- W. Verstraelen and M. Wouters, Appl. Sci. 8, 1427 (2018).
- J. Flórez, J. S. Lundeen, and M. V. Chekhova, Opt. Lett. 45, 4264 (2022).
- W. Xing and T. C. Ralph, Phys. Rev. A 107, 023712 (2023).
- P. Kinsler, M. Fernée, and P. D. Drummond, Phys. Rev. A 48, 3310 (1993).
- G. P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics, 6th edition (Academic Press, 2019).
- J. Hult, J. Light. Technol. 25, 3770 (2007).
- T. Besard, C. Foket, and B. De Sutter, IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst. 30, 827 (2019).
- P. D. Drummond and S. J. Carter, J. Opt. Soc. Am. B 4, 1565 (1987).
- A. I. Lvovsky, W. Wasilewski, and K. Banaszek, J. Mod. Opt. 54, 721 (2007).
- P. Degenfeld-Schonburg, C. Navarrete–Benlloch, and M. J. Hartmann, Phy. Rev. A 91, 053850 (2015).
- O. Veits and M. Fleischhauer, Phy. Rev. A 52, R4344 (1995).
- J. M. Dudley, G. Genty, and S. Coen, Rev. Mod. Phys. 78, 1135 (2006).
- F. Helbing, G. Steinmeyer, and U. Keller, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1030 (2003).
- M. Walschaers, V. Parigi, and N. Treps, PRX Quantum 1, 020305 (2020).
- M. Collett, R. Loudon, and C. Gardiner, J. Mod. Opt. 34, 881 (1987).
Sponsor
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.