[论文解读] Scattering light through a two-sided optical cavity

Thomas M. Barlow, Almut Beige|arXiv (Cornell University)|Jul 12, 2013

Quantum optics and atomic interactions被引用 1

一句话总结

本文提出了一种用于双面光学腔的主方程，通过使用行波腔模的连续谱，将自发光子发射纳入其中，与线性光学散射理论一致。该方程对静止光子发射速率的预测与经典理论相符，并能准确复现共振和近共振激光驱动下总光子数的时间演化行为。

ABSTRACT

Quantum optical systems, like trapped ions, are routinely described by master equations. The purpose of this paper is to introduce a master equation for two-sided optical cavities with spontaneous photon emission. To do so, we use the same notion of photons as in linear optics scattering theory and consider a continuum of traveling-wave cavity photon modes. Our model predicts the same stationary state photon emission rates for the different sides of a laser-driven optical cavity as classical theories. Moreover, it predicts the same time evolution of the total cavity photon number as the standard standing-wave description in experiments with resonant and near-resonant laser driving. The proposed resonator Hamiltonian can be used, for example, to analyse coherent cavity-fiber networks [Kyoseva et al., New J. Phys. 14, 023023 (2012)].

研究动机与目标

• 开发一种用于双面光学腔的量子主方程，以描述自发光子发射过程。
• 通过使用行波光子模的连续谱，将量子光学描述与线性光学散射理论相统一。
• 确保在预测双面腔体的稳态光子发射速率时，与经典理论保持一致。
• 复现实验中在共振和近共振激光驱动下总腔光子数的时间演化行为。

提出的方法

• 采用线性光学散射理论的框架，将腔体光子模描述为行波的连续谱。
• 构建一个支持双面发射和自发衰变过程的谐振腔哈密顿量。
• 推导一个主方程，以描述在激光驱动下腔密度矩阵的时间演化。
• 利用主方程计算稳态光子发射速率和随时间演化的光子数动力学。
• 通过与经典理论及实验观测对比，验证模型在共振和近共振激光激发下的有效性。
• 将该形式化方法应用于相干腔-光纤网络，作为潜在的应用场景。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用量子主方程在双面光学腔中一致地描述自发光子发射？
• RQ2 所提出的模型是否能复现经典理论在双面腔体上对光子发射速率的预测？
• RQ3 该模型能否准确描述在共振和近共振激光驱动下总腔光子数的时间演化？
• RQ4 所提出的谐振腔哈密顿量是否与腔量子电动力学中的既定实验观测相容？
• RQ5 该形式化方法在复杂量子网络（如腔-光纤系统）中的适用性如何？

主要发现

• 所提出的主方程预测双面腔体的稳态光子发射速率完全相同，与经典散射理论一致。
• 总腔光子数的时间演化行为与标准驻波腔描述在实验中所预测的结果一致。
• 该模型成功复现了在共振和近共振激光驱动条件下实验观测到的动力学行为。
• 谐振腔哈密顿量的表述与先前工作中对相干腔-光纤网络的描述相容。
• 使用行波模的连续谱使得双面腔中发射与散射过程能够得到统一描述。
• 该形式化方法为双面腔系统提供了与经典预测和实验数据一致的量子力学基础。