[論文レビュー] Rabi oscillation in a quantum cavity

Pierre-Olivier Guimond, Alexandre Roulet+2 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、1次元波ガイドに閉じ込められた原子鎖によって形成されるミラーを有する量子キャビティにおけるラビ振動を調査し、ミラー間の光子の有限な伝播時間（遅延）を考慮した非マーカフ的ダイナミクスが、高精細度の古典的キャビティにおけるものと類似したラビ振動を観測するために不可欠であることを示している。主な結果は、キャビティのラビ周波数および光子損失率が、遅延に起因する非マーカフ的挙動に強く依存していることである。

ABSTRACT

We investigate the Rabi oscillation of an atom placed inside a quantum cavity where each mirror is formed by a chain of atoms trapped near a one-dimensional waveguide. This proposal was studied previously with the use of Markov approximation, where the delay due to the finite travel time of light between the two cavity mirrors is neglected. We show that Rabi oscillation analogous to that obtained with high-finesse classical cavities is achieved only when this travel time is much larger than the time scale that characterizes the collective response of the atomic chain. Therefore, the delay must be taken into account and the dynamics of the problem is inherently non-Markovian. Parameters of interest such as the Rabi frequency and the cavity loss rate due to photon leakage through the mirrors are obtained.

研究の動機と目的

• 1次元波ガイドに閉じ込められた原子鎖によって形成されるミラーを有する量子キャビティにおけるラビ振動を研究すること。
• このような系をモデル化する際のマーカフ近似の限界を特定すること。
• 高精細度の古典的キャビティにおけるラビ振動と類似した振るまいを示す条件を同定すること。
• 非マーカフ的状態におけるラビ周波数および光子漏れ率といった主要なキャビティパラメータを導出すること。

提案手法

• ミラーを1次元波ガイドに閉じ込められた原子鎖によって形成するキャビティをモデル化する。
• ミラー間の光子伝播時間の有限性を考慮する非マーカフ的アプローチを用いる。
• キャビティ内の光場に対する原子鎖の集団的応答を分析する。
• 非マーカフ的ダイナミクスからラビ周波数およびキャビティ損失率の式を導出する。
• 遅延効果の重要性を強調するために、マーカフ近似との比較を行う。
• 波ガイドを介したキャビティにおける光子放出および散乱を記述するために、量子光学的手法を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波ガイドに結合されたキャビティにおけるラビ振動が、高精細度の古典的キャビティにおけるものと類似するのはどのような条件下か？
• RQ2 ミラー間の光子の有限な伝播時間は、ラビ振動ダイナミクスにどのように影響を与えるか？
• RQ3 原子鎖の集団的応答が、キャビティの有効パラメータを決定する上で果たす役割は何か？
• RQ4 なぜマーカフ近似は、この系のダイナミクスを正しく記述できないのか？
• RQ5 ラビ周波数および光子漏れ率は、非マーカフ的効果にどのように依存するか？

主な発見

• ラビ振動が高精細度の古典的キャビティにおけるものと類似するのは、光子の往復時間（round-trip time）が原子鎖の集団的応答の時間スケールを上回る場合に限られる。
• ダイナミクスは本質的に非マーカフ的であり、光の有限な伝播時間を無視すると誤った予測が得られる。
• ラビ周波数およびキャビティ損失率は非マーカフ的枠組みから導出されており、遅延および集団的原子応答に依存していることが示された。
• マーカフ近似は、時間遅延効果を無視しているため、正しい振動挙動を捉えられていない。
• この系の挙動は、原子のコherenと波ガイド内での光子伝播遅延の相互作用によって支配されている。