[论文解读] Synthesizing electromagnetically induced transparency without a control field in waveguide QED using small and giant atoms

Andreas Ask, Yao-Lung L. Fang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用 6

一句话总结

该论文表明，通过仅使用两能级原子（包括小原子和巨原子），无需外部控制场，即可在波导量子电动力学（QED）中实现电磁感应透明（EIT）的合成。通过利用工程化耦合构型所产生的量子干涉，特别是在失谐原子或编织型巨原子系统中，作者识别出表现出真正EIT（荧光淬灭）的结构，从而实现无需复杂驱动场的慢光与非互惠光子输运。

ABSTRACT

The absorption of photons in a three-level atom can be controlled and manipulated by applying a coherent drive at one of the atomic transitions. The situation where the absorption is fully canceled, and the atom thus has been turned completely transparent, has been coined electromagnetically induced transparency (EIT). The characteristics of EIT is a narrow transparency window associated with a fluorescence quench at its center frequency, indicating that inelastic scattering at this particular point is suppressed. The emergence of EIT-like transparency windows is common in waveguide quantum electrodynamics (QED) when multiple closely spaced quantum emitters are coupled to a waveguide. The transparency depends on the separation and energy detuning of the atoms. In this work, we study a number of different setups with two-level atoms in waveguide QED that all exhibit EIT-like transparency windows. Unlike the case of a genuine three-level atom, no drive fields are required in the systems we consider, and the coherent coupling of energy levels is mediated by the waveguide. We specifically distinguish between systems with genuine EIT-like dynamics and those that exhibit a transparency window but lack the fluorescence quench. The systems that we consider consist of both small and giant atoms, which can be experimentally realized with artificial atoms coupled to either photons or phonons. These systems can offer a simpler route to many EIT applications since the need for external driving is eliminated.

研究动机与目标

• 证明EIT类透明窗口可在波导QED中无外部控制场的情况下出现，仅依赖于内在量子干涉。
• 区分表现出真正EIT（具有荧光淬灭）的系统与虽具透明窗口但未抑制非弹性散射的系统。
• 识别出能够支持真正暗态与EIT行为的构型，特别是具有多点耦合的巨原子。
• 为两能级系统耦合一维波导中的EIT区域提供理论框架，适用于超导电路及其他波导QED平台。
• 通过消除对多个相干驱动的需求，实现更简单、更具可扩展性的EIT基量子技术应用。

提出的方法

• 使用散射矩阵理论计算一维波导QED中两能级原子（包括小原子和巨原子，耦合点任意）的透射系数。
• 基于量子干涉与暗态形成，推导出适用于各种构型（如编织型与嵌套型耦合几何）的EIT区域判据。
• 在单光子区域数值求解主方程，计算非弹性光子通量，并评估在透明频率处是否存在荧光淬灭。
• 系统比较图1(b)–(e)中的构型，分析原子失谐与耦合几何对暗态形成的影响。
• 采用传输矩阵方法计算透射，但强调该方法在具有反馈回路的复杂巨原子构型中存在局限性。
• 评估巨原子多点耦合在实现非平凡干涉效应中的作用，这些效应可在无外部驱动下模拟EIT。

实验结果

研究问题

• RQ1 EIT类透明窗口是否可在波导QED中无外部控制场的情况下出现，仅依赖于内在量子干涉？
• RQ2 波导中两能级原子（小原子或巨原子）的何种构型可支持具有荧光淬灭的真正EIT效应？
• RQ3 原子失谐与耦合几何（如编织型或嵌套型）如何影响暗态的形成及非弹性散射的抑制？
• RQ4 具有EIT类透明窗口但无荧光淬灭的系统与表现出真正EIT行为的系统有何区别？
• RQ5 能否通过工程化巨原子实现类似EIT的效应，以提升灵活性并降低与传统三能级系统相比的实验开销？

主要发现

• 仅当双激发态被抑制时，才会出现具有荧光淬灭的真正EIT，例如在失谐两能级原子或编织型巨原子中，证实了真正暗态的形成。
• 非失谐原子或单点耦合构型（如小原子或非编织型巨原子）虽表现出透明窗口，但缺乏荧光淬灭，表明非弹性散射未被完全抑制。
• EIT区域由基于量子干涉与耦合几何的判据确定，其依赖于巨原子中耦合点的相对相位与位置。
• 编织型与嵌套型耦合构型的巨原子可实现非平凡干涉，即使无外部驱动也能支持暗态，从而模拟Λ型能级结构行为。
• 某些构型中荧光淬灭的缺失表明，透明性并非源于量子干涉，而是源于其他机制，如能级分裂或光谱滤波。
• 结果表明，两能级系统，特别是巨原子，可替代三能级原子用于EIT基应用（如量子存储与非互惠器件），从而降低实验复杂度。