[论文解读] Open Systems Dynamics for Propagating Quantum Fields

Ben Q. Baragiola|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Quantum Information and Cryptography参考文献 197被引用 8

一句话总结

本论文提出了一种用于建模量子光-物质相互作用的三维开放系统框架，采用N光子态，强调由于时间模式纠缠导致的非马尔可夫动力学。该研究引入了耦合主方程，以描述通过连续测量传播量子场实现的集体原子自旋压缩，表明空间非均匀性可显著增强压缩效果，超越一维近似。

ABSTRACT

In this dissertation, I explore interactions between matter and propagating light. The electromagnetic field is modeled as a reservoir of quantum harmonic oscillators successively streaming past a quantum system. Each weak and fleeting interaction entangles the light and the system, and the light continues its course. Within the framework of open quantum systems, the light is eventually traced out, leaving the reduced quantum state of the system as the primary mathematical subject. Two major results are presented. The first is a master equation approach for a quantum system interacting with a traveling wave packet prepared with a definite number of photons. In contrast to quasi-classical states, such as coherent or thermal fields, these N-photon states possess temporal mode entanglement, and local interactions in time have nonlocal consequences. The second is a model for a three-dimensional light-matter interface for an atomic ensemble interacting with a paraxial laser beam and its application to the generation of QND spin squeezing. Both coherent and incoherent dynamics due to spatially inhomogeneous atom-light coupling across the ensemble are accounted for. Measurement of paraxially scattered light can generate squeezing of an atomic spin wave, while diffusely scattered photons lead to spatially local decoherence.

研究动机与目标

• 对具有内在时间模式纠缠的传播N光子态的量子光-物质相互作用进行建模。
• 发展一种三维形式化方法，以捕捉原子-光耦合和辐射图案中的空间非均匀性。
• 描述由量子场探测的集体原子系统中的非马尔可夫动力学，避免一维、均匀模型的局限性。
• 量化光-物质界面中的空间非均匀性如何增强原子集合中的自旋压缩。

提出的方法

• 为约化集体原子态制定随机主方程，纳入对准束模式的相干集体散射。
• 利用三维空间模型引入局部非均匀漫散射导致的退相干。
• 对传播量子场的观测所引起的原子系统连续测量反作用进行建模。
• 使用耦合主方程追踪原子系统与场的联合演化，保留N光子态纠缠带来的非马尔可夫效应。
• 将形式化方法应用于研究连续测量下的自旋压缩，明确处理空间模式匹配问题。
• 推导原子-光纠缠的动力学及其通过测量转化为原子间纠缠的过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子-光界面中的空间非均匀性如何影响集体原子集合中自旋压缩的程度？
• RQ2 在何种参数区域中，由于N光子态纠缠导致的非马尔可夫动力学相较于马尔可夫近似能实现增强的自旋压缩？
• RQ3 激光和散射光的三维空间模式在多大程度上影响原子间纠缠生成的效率？
• RQ4 在空间非均匀系统中，对传播场的连续测量如何将原子-光纠缠转化为原子间纠缠？
• RQ5 当探测场具有确定光子数时，非马尔可夫主方程形式化能否准确描述集体原子动力学？

主要发现

• 最大的自旋压缩恰好出现在具有显著空间非均匀性的参数区域，证明非均匀性可增强纠缠生成。
• 由于N光子态中时间模式纠缠导致的非马尔可夫动力学，其结果明显偏离一维、均匀模型。
• 三维模型揭示，激光束与集体辐射图案之间的空间模式匹配对于最大化压缩至关重要。
• 对场的连续测量反作用成功地将原子-光纠缠转化为原子间纠缠，从而实现集体自旋压缩。
• 该形式化表明，漫散射引起的退相干会限制压缩效果，但最优的空间模式重叠可缓解此影响。
• 耦合主方程方法能够准确预测超越马尔可夫近似的自旋压缩，尤其在强空间非均匀性区域。