[论文解读] Quantum limit of photon-photon interactions using electromagnetically induced transparency

Michael Werner, Ataç Îmamoğlu|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 1999

Quantum optics and atomic interactions参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文研究了腔内电磁感应透明（EIT）中的光子-光子相互作用，表明单原子系统由于实现最大单光子耦合，可获得最强的无耗散相互作用。相比之下，多原子系综因增加的色散而降低性能，仅在强耦合条件下单原子情形下才能完全实现光子阻塞。

ABSTRACT

Quantum limit of dissipation-free photon-photon interactions at the few photon level is studied in the context of giant Kerr nonlinearities in cavity electromagneti cally induced transparency (EIT). It is shown that photon-photon interaction is largest when the cavity contains a sing le atom. In contrast to conventional nonlinearities, increasing the number of atoms cannot in crease the interaction strength but will in general degrade the performance by enhancing di spersion. In the non-perturbative regime, the single-atom photon-photon interaction can be limited by lossy states excited from long-lived EIT states. Asymptotically, in the strong coupling limit, photon-photon interaction is determined by the single photon-atom coupling strength. Photon blockade occurs for single atoms but only partial blockade can occur for low dispersion and not at all in the high-dispersion limit of the multi-atom case.

研究动机与目标

• 确定少光子尺度下无耗散光子-光子相互作用的根本量子极限。
• 研究腔内原子数量如何通过巨大Kerr非线性影响光子-光子相互作用的强度与相干性。
• 分析色散和损耗态在多原子系统中降低相互作用性能的作用。
• 识别光子阻塞发生的条件及其与原子系综大小和耦合区域的关系。

提出的方法

• 采用非微扰方法建模腔-EIT系统，以描述强光-物质耦合。
• 分析从EIT系统绝热态图像推导出的有效光子-光子相互作用哈密顿量。
• 将单光子耦合强度作为强耦合极限下相互作用强度的关键决定因素进行评估。
• 通过集体衰减率和退相干率，评估原子系综大小对色散和退相干的影响。
• 利用绝热态形式化识别可从长寿命EIT态激发的损耗态，这些态限制了相互作用保真度。
• 应用光子阻塞判据，评估单原子与多原子构型中的非线性程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 腔EIT系统中无耗散光子-光子相互作用的根本量子极限是什么？
• RQ2 增加腔内原子数量如何影响光子-光子相互作用的强度与相干性？
• RQ3 光子阻塞在何种参数区域发生，其与原子系综大小和色散的关系如何？
• RQ4 源自长寿命EIT态的损耗态在限制相互作用效率方面起什么作用？
• RQ5 单光子-原子耦合强度如何决定强耦合极限下的相互作用强度？

主要发现

• 当腔内仅含一个原子时，无耗散光子-光子相互作用最强，因为增加原子数会增强色散并降低性能。
• 仅在单原子情况下才能完全实现光子阻塞，而多原子系统中则根据色散水平出现部分或无阻塞。
• 在非微扰区域，从长寿命EIT态激发的损耗态成为限制相互作用强度的主要因素。
• 渐近地，在强耦合极限下，光子-光子相互作用强度仅由单光子-原子耦合强度决定。
• 多原子系统表现出更高的色散，这会抑制有效非线性并阻止完全光子阻塞。
• 系统的性能从根本上受限于多能级原子系综中耦合强度、色散与退相干路径之间的相互作用。