[论文解读] Different Types of Coherence: Young-type Interference versus Dicke Superradiance

Daniel Bhatti, Manuel Bojer+1 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 46被引用 5

一句话总结

本文通过区分两种相干性类型——来自经典同步偶极子的杨氏型干涉，以及来自量子力学Dicke态的Dicke亚辐射，解决了量子光学中长期存在的悖论。通过量子失谐、纠缠度和经典偶极矩分析，作者表明，尽管产生相似的远场强度分布，Dicke亚辐射源于纠缠诱导的量子相干性，而非偶极振荡。

ABSTRACT

Dicke superradiance, i.e., the enhanced spontaneous emission of coherent radiation, is often attributed to radiation emitted by synchronized dipoles coherently oscillating in phase. At the same time, Dicke derived superradiance assuming atoms in entangled Dicke states which do not display any dipole moment. To shed light on this apparent paradox, we study the intensity distribution arising from two identical two-level atoms prepared either in an entangled Dicke state or in a separable atomic state with non-vanishing dipole moment. We find that the two configurations produce similar far field intensity patterns, however, stemming from fundamentally distinct types of coherence: while in the second case the atoms display coherence among the individual particles leading to Young-type interference as known from classical dipoles, atoms in Dicke states possess collective coherence leading to enhanced spontaneous emission. This demonstrates that the radiation generated by synchronized dipoles and Dicke superradiance are fundamentally distinct phenomena and have to be interpreted in different ways.

研究动机与目标

• 解决Dicke亚辐射被归因于同步偶极子的悖论，尽管Dicke态的偶极矩为零。
• 阐明原子辐射中经典相干性（杨氏型干涉）与量子相干性（Dicke亚辐射）的根本区别。
• 证明仅靠远场干涉图样无法区分经典与量子相干机制。
• 使用量子失谐、纠缠度和经典偶极矩量化相干类型，以实现直接比较。

提出的方法

• 分析三种构型下的两个相同两能级原子：对称Dicke态、相干叠加态和Werner态。
• 利用密度矩阵形式化计算远场强度分布，以识别干涉贡献。
• 采用量子失谐和纠缠度作为纠缠态与可分态中量子相干性的度量。
• 使用全局偶极矩作为具有非零偶极矩的态的经典相干性度量。
• 通过比较不同构型下的可见度与相干特性，分离干涉的物理起源。
• 应用量子光学与量子信息理论框架，量化相干类型。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何Dicke亚辐射的远场图样与经典同步偶极子相似，尽管Dicke态中偶极矩为零？
• RQ2 Dicke态中的量子相干性与相干驱动原子偶极子中的经典相干性有何区别？
• RQ3 仅靠干涉可见度能否确定系统中相干性的类型？
• RQ4 量子失谐与纠缠度如何揭示Dicke态中非经典相干性的存在？
• RQ5 经典偶极矩与量子相干性度量在多大程度上与可观测的干涉图样相关？

主要发现

• Dicke态具有零全局偶极矩，确认Dicke亚辐射并非源于经典偶极振荡。
• Dicke亚辐射的远场强度分布由量子相干性（纠缠）驱动，而非经典偶极对齐。
• 相干驱动原子中的经典相干性产生可见度低于100%的干涉，而Dicke态中可见度为100%，与之不同。
• 量子失谐与纠缠度证实了Dicke态中非经典关联的存在，尽管其偶极矩为零。
• Werner态表明，干涉可见度不足以识别相干类型，凸显了需要超越可见度的相干性度量。
• 本研究确立了Dicke亚辐射与经典杨氏型干涉是根本不同的现象，其根源在于不同的相干机制。