[논문 리뷰] Particle Production in a Waveguide Ultra-Strongly Coupled to a Qubit

Nicolas Gheeraert, Xin H. H. Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 05.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 파동도 가시광학 양자전기역학에서 초강력 결합된 빛-물질 시스템을 다루며, 다체 산란 방법과 다중모드 코herent 상태를 사용하여 초전도 큐비트에서의 광자 방출을 분석한다. 그 결과, 입자 생성을 위한 큰 위상공간 덕분에 비공진 상태에서의 방출은 광역대 비결합파동 과정에 의해 지배되며, 이는 완전하지 않은 반구배 및 더 긴 지연에서의 군집화와 같은 비고전적 시간상관관계를 유도한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초강력 결합 조건에서 파동도 양자전기역학의 비선형 방출 과정을 이해하기 위해.
• 결합 강도가 1에 가까워질 때 다중광자 방출에서 비결합파동 항의 역할을 조사하기 위해.
• 입자 생성이 존재하는 조건에서 시간상관된 광자 통계를 분석하기 위해.
• 수치적 다체 산란 방법을 입력-출력 이론 및 페르투르베이션 접근법과 비교하기 위해.
• 회로-QED 및 원자 시스템에서의 비선형 양자광학의 실험적 탐색을 안내하기 위해.

제안 방법

• 오메가 파동도에 결합된 이중준위 큐비트의 역학을 시뮬레이션하기 위해 다중모드 코herent 상태 기반의 통제된 수치적 다체 산란 방법을 사용한다.
• 초강력 결합을 위해 해밀토니안에서 비결합파동 항을 유지함으로써 비퍼티르베이션 효과를 포함한다.
• 수치적 접근의 타당성을 검증하고 산란 성질을 추출하기 위해 입력-출력 이론과 결과를 비교한다.
• 약한 결합 영역에서의 기준으로 페르투르베이션 계산을 사용한다.
• 다양한 시간에 걸친 광자 통계를 분석하여 다중광자 방출과 비고전적 상관관계의 징후를 탐지한다.
• 입자 생성을 위한 위상공간을 매핑하여 광역대 방출 특징을 설명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초강력 결합된 파동도 QED 시스템에서 비공진 상태에서의 광자 방출의 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 비결합파동 항은 다중광자 방출과 방출된 광자의 스펙트럼 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 반사된 광자의 시간상관 함수에서 비고전적 광자 통계의 징후는 무엇인가?
• RQ4 입자 생성을 위한 큰 위상공간은 방출 스펙트럼과 붕괴 역학에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 비퍼티르베이션 효과는 표준 입력-출력 이론의 예측을 어느 정도 변화시키는가?

주요 결과

• 입자 생성을 위한 큰 가용 위상공간 덕분에 비공진 상태에서의 방출은 비결합파동 항의 광역대 기여에 의해 지배된다.
• 영 시간 지연에서 불완전한 반구배가 관측되어 비포아송 광자 통계를 나타낸다.
• 붕괴율의 역수보다 더 긴 시간 지연에서 광자 군집화가 관측되며, 이는 비마르코프 동역학의 징후이다.
• 매우 작은 구동 전력에서도 다중광자 방출이 발생하며, 이는 초강력 결합 영역의 특징이다.
• 수치적 다체 산란 방법은 표준 양자광학을 넘어서는 비퍼티르베이션 효과를 성공적으로 캡처한다.
• 시간상관 함수는 집단적 방출 과정과 관련된 마르코프 동역학에서의 강한 이탈을 드러낸다.