[论文解读] Delocalised Excitation and Conditional Negative Delays of Single Photons

Daniela Angulo|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2024

Quantum Mechanics and Applications被引用 4

一句话总结

该论文通过弱测量技术（利用交叉-Kerr 效应）实验验证了单个光子在共振介质中作为原子激发态的停留时间可以为负值。测得的平均激发时间范围为 −0.82±0.31τ₀ 至 +0.54±0.28τ₀，与群速度延迟一致，证明负群延迟具有物理意义，即真实反映了光子传输过程中原子处于激发态的时间。

ABSTRACT

This paper presents the concept of Stochastic Zero, a mathematical framework designed to model time as a stochastic variable in physical systems. This approach is especially relevant for high-volatility experiments, where temporal uncertainties and phenomena like 'negative time' are observed. By complementing traditional methods such as Itô calculus, Stochastic Zero provides a balance of accuracy and flexibility in capturing temporal fluctuations. The simulations highlight how this framework offers deeper insights compared to conventional models, particularly in quantum systems characterized by significant temporal variability.

研究动机与目标

• 确定透射光子经历的群延迟是否对应于光与物质相互作用期间原子实际处于激发态的时间。
• 检验负群延迟是否对应于原子介质中具有物理意义的负激发时间的假设。
• 实验验证理论预测：透射光子引起的原子激发时间积分等于群延迟。
• 解决长期存在的争议：群延迟是否真实反映原子处于激发态的时间，还是仅是一种数学构造。

提出的方法

• 利用弱的非共振探测光束测量其因交叉-Kerr 效应引起的相位偏移，该偏移与瞬时原子激发概率成正比。
• 测量探测光束的时变相位偏移，以推断单个透射光子引起的原子激发时间积分。
• 采用量子轨迹理论与弱值形式体系，理论上预测原子激发时间等于群延迟。
• 通过仅选择透射信号光子来隔离传输过程对原子激发的影响。
• 利用关系式 φ_T = −τ_g ∂ω₀/∂m 将测得的探测光相位偏移与群延迟 τ_g 及原子能级的交流斯塔克移位 ∂ω₀/∂m 关联起来。
• 在宽时间窗口内对相位偏移进行积分，以提高结果可靠性，尽管统计误差有所增加，该方法基于对 φ_T(t) 形状的理论认识。

Figure 1: Schematics of experimental setup. (a) Atomic level scheme. (b) Conceptual diagram of the experimental apparatus: a resonant pulsed beam (signal) and off-resonant continuous-wave beam (probe) counter-propagate through a cloud of cold 85 Rb atoms, detected at opposite sides of the apparatus.

实验结果

研究问题

• RQ1 透射光子的群延迟是否对应于原子实际处于激发态的时间？
• RQ2 负群延迟是否可解释为具有物理意义的负激发时间？
• RQ3 透射光子引起的原子激发时间积分是否在数量上等于群延迟？
• RQ4 对透射光子进行后选择如何影响原子测得的激发时间？
• RQ5 单个透射光子引起探测光束相位偏移的物理起源是什么？

主要发现

• 对于最窄脉冲，测得的单个透射光子引起的平均原子激发时间为 (−0.82±0.31)τ₀，证实了负激发时间的存在。
• 对于最宽脉冲，测得的激发时间为 (+0.54±0.28)τ₀，表明即使在宽带激发下，激发时间仍为正。
• 测得的激发时间与理论预测一致，即其等于透射脉冲的群延迟。
• 结果验证了负群延迟并非仅数学构造，而是真实物理时间的体现，即原子被激发的时间。
• 发现探测光相位偏移与群延迟成正比，比例系数由原子能级的交流斯塔克移位决定。
• 尽管统计误差增加，但在宽时间窗口内对相位偏移进行积分，其结果比基于峰值的分析更为可靠。

Figure 2: Phase shift in a shot (time window containing one pulse) acquired by the probe over time. Blue circles represent the phase shift due to a transmitted photon, with the orange solid line indicating the theoretical expectation. Green squares show the phase shift due to an average incident pho