[論文レビュー] Scattering light through a two-sided optical cavity

Thomas M. Barlow, Almut Beige|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2013

Quantum optics and atomic interactions被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、連続的な進行波モードを用いて、自発的光子放出を組み込んだ二面光学キャビティのマスター方程式を提案する。これは線形光学会の散乱理論と整合的であり、静止状態の光子放出率について古典的予測を再現し、共鳴および準共鳴レーザー駆動下での全光子数の時間発展も実験と一致する。

ABSTRACT

Quantum optical systems, like trapped ions, are routinely described by master equations. The purpose of this paper is to introduce a master equation for two-sided optical cavities with spontaneous photon emission. To do so, we use the same notion of photons as in linear optics scattering theory and consider a continuum of traveling-wave cavity photon modes. Our model predicts the same stationary state photon emission rates for the different sides of a laser-driven optical cavity as classical theories. Moreover, it predicts the same time evolution of the total cavity photon number as the standard standing-wave description in experiments with resonant and near-resonant laser driving. The proposed resonator Hamiltonian can be used, for example, to analyse coherent cavity-fiber networks [Kyoseva et al., New J. Phys. 14, 023023 (2012)].

研究の動機と目的

• 自発的光子放出を考慮した二面光学キャビティの量子マスター方程式を開発すること。
• 連続的な進行波光子モードを用いて、量子光学的記述と線形光学会の散乱理論を統合すること。
• 両キャビティ面における定常光子放出率の古典的理論予測と整合性を保つこと。
• 共鳴および準共鳴レーザー駆動下での全キャビティ光子数の時間発展を実験と一致させる。

提案手法

• 線形光学会の散乱理論に基づく枠組みを採用し、キャビティ光子モードを進行波の連続体として記述する。
• 二面放出および自発的崩壊過程を支持するレゾネータハミルトニアンを構築する。
• レーザー駆動下でのキャビティ密度行列の時間発展を記述するマスター方程式を導出する。
• マスター方程式を用いて定常光子放出率および時間に依存する光子数ダイナミクスを計算する。
• 共鳴および準共鳴レーザー励起条件下で、古典的理論および実験観測と照合する。
• この形式を、コherentキャビティ-ファイバー結合ネットワークへの応用として提示する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのようにして、量子マスター方程式を用いて二面光学キャビティにおける自発的光子放出を一貫して記述できるか？
• RQ2 提案されたモデルは、キャビティ両面における光子放出率について古典的予測を再現するか？
• RQ3 モデルは、共鳴および準共鳴レーザー駆動下での全キャビティ光子数の時間発展を正確に記述できるか？
• RQ4 提案されたレゾネータハミルトニアンは、キャビティ量子電磁力学における既知の実験的観測と整合性を持つか？
• RQ5 この形式は、キャビティ-ファイバー系のような複雑な量子ネットワークへの応用に適しているか？

主な発見

• 提案されたマスター方程式は、キャビティ両面で同一の定常光子放出率を予測し、古典的散乱理論と一致する。
• 全キャビティ光子数の時間発展は、実験で観測された標準的定在波キャビティ記述と一致する。
• モデルは、共鳴および準共鳴レーザー駆動下での実験的ダイナミクスを成功裏に再現する。
• レゾネータハミルトニアンの形式は、先行研究で示されたコherentキャビティ-ファイバー結合ネットワークの記述と整合性を持つ。
• 進行波モードの連続体の使用により、二面キャビティにおける放出および散乱プロセスを統一的に記述可能となる。
• この形式は、古典的予測と実験データとを整合させる二面キャビティ系の量子力学的基盤を提供する。