[论文解读] Particle Production in a Waveguide Ultra-Strongly Coupled to a Qubit

Nicolas Gheeraert, Xin H. H. Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 5, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 2

一句话总结

本研究在波导量子电动力学中研究了超强耦合的光-物质系统，采用基于多模相干态的多体散射方法，分析了超导量子比特的光子发射行为。结果表明，非共振发射主要由宽带非旋转波过程主导，这是由于粒子产生过程具有较大的相空间，从而导致非经典的时序关联，如在较长延迟时出现的不完全反聚束和聚束现象。

ABSTRACT

New experimental platforms, such as superconducting qubits embedded into waveguides or Rydberg atoms coupled to optical fibers, offer unprecedented light-matter interaction that can reach values of order one. Reaching the ultra-strong coupling regime leads to physical effects beyond standard quantum optics, such as multi-photon emission at vanishingly small driving power. We study here a single two-level artificial atom coupled ultra-strongly to an ohmic waveguide, using a controlled numerical many-body scattering method based on multi-mode coherent states, and a comparison to input-output theory and perturbative calculations. Surprisingly, we find that off-resonant emission is dominated by broadband non-rotating-wave contributions, due to the large phase space associated with particle production. Such frequency conversion processes lead also to strong signatures in time-correlations among the reflected photons, such as incomplete anti-bunching at zero delay, and bunching at times larger than the inverse decay rate. This detailed study should be useful in guiding experiments aiming at probing non-linear emission processes in waveguide quantum electrodynamics.

研究动机与目标

• 理解在超强耦合条件下波导量子电动力学中的非线性发射过程。
• 研究当耦合强度趋近于1时，非旋转波项在多光子发射中的作用。
• 分析在粒子产生存在的情况下，时间相关光子统计特性。
• 将数值多体散射方法与输入-输出理论及微扰方法进行比较。
• 为电路-量子电动力学和原子系统中非线性量子光学的实验探索提供指导。

提出的方法

• 采用基于多模相干态的受控数值多体散射方法，模拟双能级量子比特与欧姆波导耦合的动力学行为。
• 通过在哈密顿量中保留非旋转波项，包含非微扰效应，这对超强耦合至关重要。
• 与输入-输出理论比较结果，以验证数值方法并提取散射特性。
• 使用微扰计算作为弱耦合区域的基准。
• 分析时间分辨光子统计，以探测多光子发射与非经典关联的特征。
• 绘制粒子产生可用的相空间，以解释宽带发射特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超强耦合的波导量子电动力学系统中，非共振光子发射的主要机制是什么？
• RQ2 非旋转波项如何影响多光子发射及发射光子的光谱分布？
• RQ3 在反射光子的时间相关函数中，非经典光子统计的哪些特征会显现？
• RQ4 粒子产生过程的庞大相空间如何影响发射谱与衰减动力学？
• RQ5 非微扰效应在多大程度上改变了标准输入-输出理论的预测？

主要发现

• 由于粒子产生过程具有较大的相空间，非共振发射主要由非旋转波项的宽带贡献主导。
• 系统在零时间延迟处表现出不完全反聚束，表明光子统计具有非泊松分布特性。
• 在大于衰减率倒数的时间延迟处观察到光子聚束，这是非马尔可夫动力学的特征。
• 在极小的驱动功率下即可发生多光子发射，这是超强耦合区域的典型特征。
• 数值多体方法成功捕捉了标准量子光学无法涵盖的非微扰效应。
• 时间相关函数显示与马尔可夫行为存在显著偏差，这与集体发射过程相关。