[论文解读] Gauge ambiguities in ultrastrong-coupling QED: the Jaynes-Cummings model is as fundamental as the Rabi model

Adam Stokes, Ahsan Nazir|arXiv (Cornell University)|May 16, 2018

Strong Light-Matter Interactions被引用 1

一句话总结

本文表明，在无旋转波近似的情况下，通过特定规范选择，Jaynes-Cummings 模型可自然地从超强耦合量子电动力学中涌现，挑战了其作为近似模型的传统地位。研究发现，在电路量子电动力学设置中，这种由规范诱导的 Jaynes-Cummings 模型比 Rabi 模型更精确，且基态不一定是高度纠缠的，从而颠覆了超强耦合物理中长期存在的假设。

ABSTRACT

Ultrastrong-coupling between an effective two-level system and radiation offers immense potential for advancing both fundamental and applied quantum electrodynamics (QED). Such regimes cannot be treated using the rotating-wave approximation, which applied to the quantum Rabi model yields the apparently less fundamental Jaynes-Cummings model. However, the implications of gauge-freedom for ultrastrong-coupling QED are yet to be recognised. Here we show that when truncating the material system to only two levels, each gauge gives a different effective description whose predictions can vary significantly for ultrastrong-coupling. Rabi models are obtained through specific gauge choices, but so too is a Jaynes-Cummings model without needing the rotating-wave approximation. Analysing a circuit QED setup, we find that this Jaynes-Cummings model is not only valid well beyond the rotating-wave approximation, it is often more accurate than the Rabi model. Among the many implications of this finding is that the system's ground state is not necessarily highly entangled, which is usually considered a hallmark of ultrastrong-coupling light-matter physics.

研究动机与目标

• 研究规范自由度在超越旋转波近似的超强耦合量子电动力学（QED）中的作用。
• 确定通过规范选择能否将 Jaynes-Cummings 模型导出为精确有效理论，而非依赖近似。
• 评估 Jaynes-Cummings 模型与 Rabi 模型在超强耦合区域的准确性与有效性。
• 重新评估超强耦合光-物质系统中基态高度纠缠是其特征这一假设。

提出的方法

• 在不同规范选择下分析量子 Rabi 模型，以推导两能级系统与辐射场的有效哈密顿量。
• 将物质系统截断为两能级，同时保持规范不变性，以推导不同的有效模型。
• 将该形式应用于电路 QED 设置，比较 Rabi 模型、规范诱导的 Jaynes-Cummings 模型与标准 Jaynes-Cummings 模型的预测。
• 使用数值与解析方法评估不同耦合强度下的能谱与基态性质。
• 证明在某些规范下，Jaynes-Cummings 模型即使在旋转波近似失效的超强耦合区域也可为精确模型。
• 确立规范选择从根本上改变了有效描述，导致不同的物理预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在不使用旋转波近似的情况下，通过规范选择将 Jaynes-Cummings 模型导出为超强耦合 QED 中的精确有效理论？
• RQ2 不同的规范选择如何影响超强耦合光-物质系统中的有效哈密顿量与物理预测？
• RQ3 在超强耦合区域，特别是在电路 QED 架构中，Jaynes-Cummings 模型是否比 Rabi 模型更准确？
• RQ4 超强耦合系统的基态是否必然表现出高度纠缠，还是在某些规范选择下可保持可分性？
• RQ5 规范自由度在决定超强耦合 QED 的基本描述中具有何种物理意义？

主要发现

• 通过特定规范选择，Jaynes-Cummings 模型可被导出为精确有效理论，且独立于旋转波近似。
• 在超强耦合区域，规范诱导的 Jaynes-Cummings 模型在电路 QED 系统中通常比 Rabi 模型提供更精确的描述。
• 系统的基态不一定是高度纠缠的，这与普遍认为纠缠是超强耦合的标志性特征的假设相矛盾。
• 不同的规范选择即使源于同一基本 Rabi 模型，也会导致显著不同的物理预测。
• Rabi 模型并非唯一的基本描述；根据规范选择，Jaynes-Cummings 模型同样可以是基本的。
• 超强耦合 QED 中的规范自由度从根本上改变了有效描述，挑战了传统模型的层级结构。