Publication

Down-conversion of a single photon as a probe of many-body localization

Cristiano Ciuti
2023
Article
Résumé

Decay of a particle into more particles is a ubiquitous phenomenon to interacting quantum systems, taking place in colliders, nuclear reactors or solids. In a nonlinear medium, even a single photon would decay by down-converting (splitting) into lower-frequency photons with the same total energy1, at a rate given by Fermi's golden rule. However, the energy-conservation condition cannot be matched precisely if the medium is finite and only supports quantized modes. In this case, the fate of the photon becomes the long-standing question of many-body localization, originally formulated as a gedanken experiment for the lifetime of a single Fermi-liquid quasiparticle confined to a quantum dot(2). Here we implement such an experiment using a superconducting multimode cavity, the nonlinearity of which was tailored to strongly violate the photon-number conservation. The resulting interaction attempts to convert a single photon excitation into a shower of low-energy photons but fails owing to the many-body localization mechanism, which manifests as a striking spectral fine structure of multiparticle resonances at the standing-wave-mode frequencies of the cavity. Each resonance was identified as a many-body state of radiation composed of photons from a broad frequency range and not obeying Fermi's golden rule theory. Our result introduces a new platform to explore the fundamentals of many-body localization without having to control many atoms or qubits(3-9).

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Photon
Le photon est le quantum d'énergie associé aux ondes électromagnétiques (allant des ondes radio aux rayons gamma en passant par la lumière visible), qui présente certaines caractéristiques de particule élémentaire. En théorie quantique des champs, le photon est la particule médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d’un point de vue quantique comme un échange de photons.
Convertisseur bas
En optique quantique, une conversion paramétrique descendante spontanée (Spontaneous parametric down-conversion en anglais) est un procédé d'optique non linéaire permettant d'obtenir deux photons corrélés à partir d'un seul photon "pompe". Ce processus est un des plus importants pour générer des états non classiques de la lumière, grandement utilisé en optique quantique pour générer des états de Fock, des paires de photons intriqués et est utilisé dans de nombreuses expériences permettant de vérifier les prédictions de la mécanique quantique, comme l'expérience de la gomme quantique, l'expérience de la gomme quantique à choix retardé, etc.
Absorption à deux photons
L'absorption à deux photons (ADP) est l'absorption simultanée de deux photons de fréquences identiques ou différentes dans le but d'exciter une molécule dans un état donné (habituellement, l'état fondamental) à un état électronique de plus haute énergie. La différence d'énergie entre ces deux états est égale à la somme des énergies des deux photons. L'absorption à deux photons est un processus de second ordre, de plusieurs degrés de magnitude plus faible que l'absorption linéaire.
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