[论文解读] Observation of superradiant bursts in a cascaded quantum system

Christian Liedl, Felix Tebbenjohanns+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2022

Strong Light-Matter Interactions参考文献 61被引用 5

一句话总结

本研究通过实验展示了在约1000个铯原子组成的级联量子系统中，通过与纳米纤维波导的螺旋耦合，实现了定向单向辐射的超辐射脉冲发射。尽管对称性较标准Dicke超辐射有所降低，该脉冲仍表现出超越Dicke的峰值功率随原子数的加速增长，且其相干性受初始激发或真空涨落的调控，展现出不同的相干性区域。模型显示计算复杂度呈线性增长，与所有实验数据定量吻合。

ABSTRACT

Dicke superradiance describes the collective radiative decay of a fully inverted ensemble of two-level atoms. We experimentally investigate this effect for a chiral, i.e.,~direction-dependent light--matter coupling. Despite a fundamentally different interaction Hamiltonian which has a reduced symmetry compared to the standard Dicke case, we do observe a superradiant burst emission. The burst occurs above a threshold number of atoms, and its peak power scales faster with the number of atoms than in the case of free-space Dicke superradiance. We measure the first-order coherence of the burst emission and experimentally distinguish two regimes, one dominated by the coherence induced during the excitation process and the other governed by vacuum fluctuations. Our results shed light on the collective radiative dynamics of cascaded quantum many-body systems, i.e., a system in which each quantum emitter is only driven by light radiated by emitters that are further upstream in the cascade. Our findings may turn out useful for generating multi-photon Fock states as a resource for quantum technologies.

研究动机与目标

• 研究具有单向光-物质耦合的级联量子系统中超辐射脉冲的动力学行为，打破标准Dicke超辐射中的粒子交换对称性。
• 确定在对称性降低且存在长程、波导介导相互作用的系统中，超辐射是否仍能持续存在。
• 测量脉冲发射的相干性特征，并区分由初始激发或真空涨落引起的相干性。
• 开发并验证一种计算效率高的模型，其复杂度随原子数呈线性增长，且能准确预测实验观测结果。

提出的方法

• 利用短时、共振的纳米纤维引导光脉冲对原子进行相干翻转，形成完全反转的原子集合，与纳米纤维的前向传播倏逝模耦合。
• 将系统建模为级联量子系统，其中每个原子仅受上游原子发射光的驱动，沿链路逐级迭代求解动力学。
• 采用混合相干态近似来建模输入到每个原子的场，将来自上游原子的相干部分与来自真空涨落的非相干部分分开处理。
• 通过对接收场相位积分计算输出功率，实现原子数的线性复杂度增长，并准确预测脉冲动力学。
• 通过在截断的高斯分布上对原子位置引起的热涨落进行平均，考虑耦合强度的分布，其中两个自由参数通过与数据拟合确定。
• 模型与实验结果的定量一致，证实了级联系统描述的有效性，并支持采用线性复杂度方法而非更复杂的多体方法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏粒子交换对称性的级联量子系统中，具有螺旋单向耦合的超辐射脉冲发射是否仍会发生？
• RQ2 与自由空间中的标准Dicke超辐射相比，级联系统中超辐射脉冲的峰值功率如何随原子数增长？
• RQ3 脉冲发射的相干性由什么决定——初始激发的相干性还是真空涨落？特别是在原子完全反转附近？
• RQ4 能否开发一种计算效率高的线性复杂度模型，准确描述此类系统的集体辐射动力学？
• RQ5 超辐射脉冲是否主要发射到单一时间模式中？这一结论是否由脉冲起始和峰值时刻的场相干性所支持？

主要发现

• 在约1000个铯原子组成的级联系统中，通过与纳米纤维波导的螺旋耦合，实验观测到超辐射脉冲发射，证实即使对称性降低，超辐射依然存在。
• 与标准Dicke超辐射相比，该脉冲的峰值功率随原子数的增长速度更快，表明级联几何结构中集体辐射效应被增强。
• 在中等激发脉冲面积下，脉冲发射仍与激发激光保持相干，表明相干性在激发过程中被“印刻”其中。
• 当原子系综被近似完全反转地相干制备时，脉冲失去与激发激光的相干性，表明真空涨落驱动了发射并导致场相位未定义。
• 脉冲起始时刻的场与后续时刻的场保持相干，表明发射进入单一时间模式，这是量子态制备的关键特征。
• 基于混合相干态输入和逐原子迭代传播的线性复杂度模型，仅用两个自由参数即与所有实验数据实现定量一致，验证了级联系统描述的正确性。