[논문 리뷰] Rabi oscillation in a quantum cavity

Pierre-Olivier Guimond, Alexandre Roulet외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 29.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 한 개의 1차원 파동도에서 원자 체인으로 형성된 거울을 가진 양자 공진자에서 라비 진동을 연구하며, 유한한 광자 이동 시간을 고려한 비마르코프 동역학이 고정밀도 고전적 공진자에서 관찰되는 라비 진동과 유사한 현상을 관찰하는 데 필수적임을 보여준다. 주요 결과는 공진자의 라비 주파수와 광자 손실률이 지연에 기인한 비마르코프 행동에 의해 결정된다는 것이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 1차원 파동도에 갇힌 원자 체인으로 형성된 거울을 가진 양자 공진자에서 라비 진동을 연구하기.
• 이러한 시스템을 모델링할 때 마르코프 근사의 한계를 규명하기.
• 고정밀도 고전적 공진자에서 관찰되는 라비 진동과 유사한 조건을 규명하기.
• 비마르코프 영역에서 라비 주파수와 광자 누출률과 같은 핵심 공진자 매개변수를 유도하기.

제안 방법

• 공진자를 1차원 파동도에 갇힌 원자 체인으로 형성된 거울을 가진 시스템으로 모델링하기.
• 공진자 간 광자의 이동 시간을 고려하기 위해 비마르코프 접근법을 사용하기.
• 공진기 내 빛장에 대한 원자 체인의 집합적 반응 분석하기.
• 비마르코프 동역학에서 라비 주파수와 공진자 손실률에 대한 표현 유도하기.
• 지연 효과의 필요성을 부각하기 위해 결과를 마르코프 근사와 비교하기.
• 파동도를 통한 광자 방출과 산란을 기술하기 위해 양자광학 기법 활용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 파동도에 결합된 공진자에서 라비 진동이 고정밀도 고전적 공진자에서의 진동과 유사해지는 조건은 무엇인가?
• RQ2 공진자 거울 간 광자의 유한한 이동 시간이 라비 진동 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 원자 체인의 집합적 반응이 공진자의 효과적 매개변수를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 마르코프 근사는 이 시스템의 동역학을 설명하는 데 실패하는가?
• RQ5 라비 주파수와 광자 누출률은 비마르코프 효과에 어떻게 의존하는가?

주요 결과

• 라비 진동이 고정밀도 고전적 공진자에서 관찰되는 것과 유사하게 나타나는 것은 광자의 왕복 시간이 원자 체인의 집합적 반응 시간스케일을 초과할 때에만 가능하다.
• 동역학은 본질적으로 비마르코프적이며, 빛의 이동 시간을 간과하면 잘못된 예측이 도출된다.
• 라비 주파수와 공진자 손실률은 비마르코프 프레임워크에서 유도되었으며, 지연과 집합적 원자 반응에 의존함을 보여준다.
• 마르코프 근사는 시간 지연 효과를 간과하기 때문에 올바른 진동 행동을 포착하지 못한다.
• 이 시스템의 행동은 원자 양자코herence와 파동도에서의 광자 전파 지연 간의 상호작용에 의해 지배된다.