[論文レビュー] Particle Production in a Waveguide Ultra-Strongly Coupled to a Qubit

Nicolas Gheeraert, Xin H. H. Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 2

ひとこと要約

本研究は、波ガイド量子電磁力学における超強結合光物質系を、多体散乱アプローチと多モードコherent状態を用いて調査する。超伝導キュービットからの光子放出を分析する。非共鳴放出は、粒子生成のための大きな位相空間のおかげで、広帯域の非回転波過程によって支配されており、これにより非古典的時間相関（不完全な反束縛および長時間遅れにおける束縛）が生じる。

ABSTRACT

New experimental platforms, such as superconducting qubits embedded into waveguides or Rydberg atoms coupled to optical fibers, offer unprecedented light-matter interaction that can reach values of order one. Reaching the ultra-strong coupling regime leads to physical effects beyond standard quantum optics, such as multi-photon emission at vanishingly small driving power. We study here a single two-level artificial atom coupled ultra-strongly to an ohmic waveguide, using a controlled numerical many-body scattering method based on multi-mode coherent states, and a comparison to input-output theory and perturbative calculations. Surprisingly, we find that off-resonant emission is dominated by broadband non-rotating-wave contributions, due to the large phase space associated with particle production. Such frequency conversion processes lead also to strong signatures in time-correlations among the reflected photons, such as incomplete anti-bunching at zero delay, and bunching at times larger than the inverse decay rate. This detailed study should be useful in guiding experiments aiming at probing non-linear emission processes in waveguide quantum electrodynamics.

研究の動機と目的

• 波ガイド量子電磁力学における超強結合下での非線形放出過程を理解すること。
• 結合定数が1に近づく際の多光子放出における非回転波項の役割を調査すること。
• 粒子生成が存在する状況における時間相関光子統計を分析すること。
• 数値的多体散乱法と入出力理論および摂動的アプローチを比較すること。
• 回路-QEDおよび原子系における非線形量子光学の実験的探求を支援すること。

提案手法

• オーミック波ガイドに結合する2準位キュービットのダイナミクスをシミュレートするために、多モードcoherent状態に基づく制御された数値的多体散乱法を採用する。
• 超強結合において不可欠な非摂動的効果を確保するため、ハミルトニアンに非回転波項を保持する。
• 数値的手法の妥当性を検証し、散乱特性を抽出するために入出力理論と結果を比較する。
• 弱結合領域におけるベンチマークとして摂動的計算を用いる。
• 時間分解光子統計を分析し、多光子放出および非古典的相関の兆候を検出する。
• 粒子生成に利用可能な位相空間をマッピングし、広帯域放出特徴を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超強結合波ガイドQED系における非共鳴光子放出の主なメカニズムは何か？
• RQ2 非回転波項は多光子放出および放出光子のスペクトル分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 反射光子の時間相関関数に現れる非古典的光子統計の兆候は何か？
• RQ4 粒子生成のための大きな位相空間は、放出スペクトルおよび崩壊ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ5 非摂動的効果は、標準的入出力理論の予測をどの程度変化させるか？

主な発見

• 非共鳴放出は、粒子生成のための大きな位相空間のおかげで、非回転波項からの広帯域寄与によって支配されている。
• ゼロ時間遅れにおける不完全な反束縛が観測され、非ポisson的光子統計を示している。
• 崩壊率の逆数よりも長い時間遅れで光子束縛が観測され、非マーカフゾンダイナミクスの兆候である。
• 駆動力が非常に小さい場合でも多光子放出が発生し、これは超強結合領域の特徴的兆候である。
• 数値的多体法は、標準的量子光学を越えた非摂動的効果をうまく捉えている。
• 時間相関関数は、集団的放出プロセスと関連するマーカフゾン行動からの強い逸脱を示している。