[论文解读] Quantum electrodynamics near photonic Weyl points

Iñaki García-Elcano, Alejandro González-Tudela+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2019

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

本文研究了近光子外尔点处的量子电动力学——这类拓扑点具有线性色散关系和零态密度——表明与这些点耦合的量子发射体表现出非指数衰减，这是由于局域光子束缚态的形成。这些束缚态介导了相干、拓扑保护的长程相互作用，其作用范围可调，同时保持幂律衰减，为量子模拟提供了一个独特平台。

ABSTRACT

Weyl photons appear when two three-dimensional photonic bands with linear dispersion are degenerate at a single momentum point, labeled as Weyl point. These points have remarkable properties such as being robust topological monopoles of Berry curvature as well as an associated vanishing density of states. Here, we study the quantum optical consequences of such topological Weyl photons by characterizing the individual and collective dynamics of quantum emitters close to resonance with these points. Using an exact non-perturbative treatment, we predict the development of non-exponential decay dynamics due to the emergence of localized photonic states around the emitters. We find that these bound states, whose wavefunction displays power-law spatial decay, can mediate coherent and topological long-range interactions when many emitters exchange energy through Weyl photons. Furthermore, by exploiting the topological protection of Weyl points, we provide a recipe to tune the range of the mediated interactions while keeping their power-law nature, something not possible in any other photonic platform. Thus, Weyl photons enable coherent, tunable, long-range interactions between emitters, and therefore can become a very valuable platform in the context of quantum simulation.

研究动机与目标

• 理解靠近具有贝里曲率单极子和零态密度的光子外尔点的发射体的量子光学响应。
• 研究单个和集体发射体与外尔光子强耦合的动力学，特别关注非马尔可夫衰减和束缚态的形成。
• 证明外尔光子可以介导发射体之间的相干、长程相互作用，且作用范围可调，同时保持幂律衰减，这是传统光子平台所不具备的特性。
• 建立一种设计方法，利用外尔点的鲁棒性来调节拓扑光子系统中相互作用的范围。

提出的方法

• 采用精确的非微扰方法求解具有线性色散关系的外尔光子能带存在下的量子电动力学问题。
• 分析靠近外尔点的量子发射体束缚的光子态的谱特性和空间特性，揭示波函数振幅的幂律衰减。
• 利用外尔点的拓扑特性，证明束缚态及介导的相互作用对微扰具有鲁棒性。
• 推导通过外尔光子耦合的多个发射体的有效哈密顿量，以表征长程相互作用的本质。
• 证明通过改变系统参数，可以独立调节相互作用范围，而不改变相互作用的幂律特征。
• 利用外尔点的拓扑保护特性，确保介导相互作用的稳定性和相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当量子发射体与光子外尔点共振时，其衰减行为如何？外尔点的拓扑特性在衰减动力学中起什么作用？
• RQ2 在靠近外尔点的发射体周围会形成何种光子束缚态？其空间特性如何影响发射体间的相互作用？
• RQ3 外尔光子能否介导多个发射体之间的相干、长程相互作用？若能，这些相互作用的范围和强度由什么决定？
• RQ4 在保持相互作用幂律特性的前提下，外尔光子系统中相互作用范围的可调范围有多大？
• RQ5 拓扑保护在该平台中如何影响发射体介导相互作用的稳定性和相干性？

主要发现

• 由于局域光子束缚态的形成，靠近外尔点的量子发射体表现出非指数衰减动力学，其束缚态具有幂律空间衰减特性。
• 这些束缚态介导了多个发射体之间的相干、长程相互作用，实现了传统光子系统中无法实现的集体动力学。
• 这些相互作用具有拓扑保护特性，对局部微扰具有鲁棒性。
• 介导相互作用的范围可独立于幂律特征进行调节，这是由外尔点的拓扑特性所赋予的独特优势。
• 该系统支持可调谐、相干且长程的相互作用，其本质与传统光子平台中的相互作用截然不同。
• 精确的非微扰处理证实了这些相互作用的稳定性和相干性，凸显了该平台在量子模拟中的潜力。