[论文解读] Rabi oscillation in a quantum cavity

Pierre-Olivier Guimond, Alexandre Roulet+2 more|arXiv (Cornell University)|May 29, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用 3

一句话总结

本文研究了一维波导中由原子链构成的镜面所形成的量子腔内的拉比振荡，表明非马尔可夫动力学——即考虑光子在镜面间往返传播的有限时间——对于观察类似于高精细度经典腔中的拉比振荡至关重要。关键结果是，腔的拉比频率和光子损耗率在很大程度上依赖于由延迟引起的非马尔可夫行为。

ABSTRACT

We investigate the Rabi oscillation of an atom placed inside a quantum cavity where each mirror is formed by a chain of atoms trapped near a one-dimensional waveguide. This proposal was studied previously with the use of Markov approximation, where the delay due to the finite travel time of light between the two cavity mirrors is neglected. We show that Rabi oscillation analogous to that obtained with high-finesse classical cavities is achieved only when this travel time is much larger than the time scale that characterizes the collective response of the atomic chain. Therefore, the delay must be taken into account and the dynamics of the problem is inherently non-Markovian. Parameters of interest such as the Rabi frequency and the cavity loss rate due to photon leakage through the mirrors are obtained.

研究动机与目标

• 研究一维波导中由原子链构成的镜面所形成的量子腔内的拉比振荡。
• 识别马尔可夫近似在描述此类系统时的局限性。
• 确定拉比振荡与高精细度经典腔中振荡相似的条件。
• 在非马尔可夫框架下推导腔的关键参数，如拉比频率和光子泄漏率。

提出的方法

• 将腔建模为镜面由沿一维波导束缚的原子链形成的系统。
• 采用非马尔可夫方法以考虑光子在镜面间传播的有限时间。
• 分析原子链对腔内光场的集体响应。
• 从非马尔可夫动力学推导拉比频率和腔损耗率的表达式。
• 与马尔可夫近似进行比较，突出延迟效应的必要性。
• 采用量子光学技术描述波导介导的腔中光子的发射与散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，波导耦合腔中的拉比振荡会类似于高精细度经典腔中的振荡？
• RQ2 光子在镜面间有限的传播时间如何影响拉比振荡的动力学？
• RQ3 原子链的集体响应在决定腔的有效参数中起什么作用？
• RQ4 为何马尔可夫近似无法准确描述该系统的动力学？
• RQ5 拉比频率和光子泄漏率如何依赖于非马尔可夫效应？

主要发现

• 仅当光子往返时间超过原子链集体响应的时间尺度时，才能实现类似于高精细度经典腔的拉比振荡。
• 动力学本质上是非马尔可夫的，若忽略光的有限传播时间，将导致错误预测。
• 拉比频率和腔损耗率均源自非马尔可夫框架，显示出对延迟和集体原子响应的依赖性。
• 由于忽略了时间延迟效应，马尔可夫近似无法捕捉正确的振荡行为。
• 该系统的行为由原子相干性与波导中光子传播延迟之间的相互作用所主导。