[论文解读] Quantum Optics in Dense Atomic Media: From Optical Memories to Fluids of Light

Quentin Glorieux|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Strong Light-Matter Interactions参考文献 130被引用 4

一句话总结

本文提出一个统一框架，将密集原子介质中的量子光学与光的量子流体联系起来，证明非线性介质中的光遵循Bogoliubov色散关系——揭示了小波矢下折射角无关的特性，并实现了新型非线性光学效应。该工作建立了量子光学的流体动力学类比，可预测类似超流体的现象，如阻力抵消与霍金辐射。

ABSTRACT

Habilitation

研究动机与目标

• 建立密集原子介质中量子光学与光的量子流体物理之间的概念与形式桥梁。
• 证明基于非线性薛定谔方程的非线性介质中光的流体动力学描述可预测新型非线性光学效应。
• 通过将流体动力学概念应用于原子蒸气中的光传播，实现新型量子光学实验。
• 探索温原子蒸气作为强关联量子系统量子模拟平台的潜力。
• 为在光子系统中观测超流性、霍金辐射与动力学卡西米尔效应等量子流体现象奠定基础。

提出的方法

• 利用抛物线非线性薛定谔方程模拟χ(3)介质中光的传播，将其映射至量子流体的Gross-Pitaevskii方程。
• 在温态与冷态原子蒸气中利用电磁感应透明（EIT）与四波混频，调控光-物质相互作用并实现慢光。
• 在铷原子温蒸气与冷原子云中应用梯度回声记忆（GEM）协议，实现多模光态的存储与读出。
• 推导双Λ能级结构中两束耦合光下探测光拉比频率的修正演化方程，实现对势能与非线性的独立调控。
• 引入非线性的时变淬火以模拟动力学卡西米尔效应，生成量子关联的Bogoliubov模。
• 提出在输出平面上采用同频检测以测量生成量子对的动量空间关联，扩展至频率依赖的动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性薛定谔方程的流体动力学形式如何应用于描述非线性原子介质中光的传播？
• RQ2 光的流体中Bogoliubov色散关系会引发哪些新型非线性光学效应？
• RQ3 量子流体与原子介质中光的类比能否预测新型量子光学现象，如超流阻力抵消？
• RQ4 如何利用双Λ能级结构与两束耦合光在光子系统中实现可调势能与非线性？
• RQ5 在无探测光束的非线性介质中，动力学卡西米尔效应的量子光学特征是什么？

主要发现

• 非线性介质中的光表现出Bogoliubov色散关系，小波矢下群速度恒定，大波矢下线性增加。
• 低k区域群速度恒定意味着输出光束位置与入射角无关——偏离了斯涅尔-笛沙格定律。
• 群速度依赖于介质密度，意味着折射定律变为强度相关，为非线性成像开辟新可能。
• 通过非线性淬火可生成量子关联的Bogoliubov模，类比于动力学卡西米尔效应。
• 提出在输出平面上采用同频检测作为测量这些量子对动量空间关联的可行方法。
• 双Λ结构允许通过两束耦合光独立调控有效势能与非线性，显著提升实验可调性。