[论文解读] Single-artificial-atom lasing and its suppression by strong pumping

Sahel Ashhab, J. R. Johansson+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2008

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 1

一句话总结

本文研究了单个人工原子与腔模耦合时的激光行为，其中通过电压偏置驱动的从基态到激发态的弛豫实现粒子数反转。利用半经典的和速率方程模型，推导出当弛豫速率超过某一阈值时激光抑制的解析条件，并在超导量子比特相关的二能级和三能级原子模型中通过数值模拟加以验证。

ABSTRACT

We consider a system composed of a single artificial atom coupled to a cavity mode. The artificial atom is biased such that the most dominant relaxation process in the system takes the atom from its ground state to its excited state, thus ensuring population inversion. A recent experimental manifestation of this situation was achieved using a voltage-biased superconducting charge qubit. Even under the condition of `inverted relaxation', lasing action can be suppressed if the `relaxation' rate is larger than a certain threshold value. Using simple transition-rate arguments and a semiclassical calculation, we derive analytic expressions for the lasing suppression condition and the state of the cavity in both the lasing and suppressed-lasing regimes. The results of numerical calculations agree very well with the analytically derived results. We start by analyzing a simplified two-level-atom model, and we then analyze a three-level-atom model that should describe accurately the recently realized superconducting artificial-atom laser.

研究动机与目标

• 理解在非传统弛豫条件下，单个人工原子与腔模耦合时的激光动力学。
• 解决当弛豫速率超过临界阈值时激光抑制的挑战。
• 采用二能级和三能级原子框架对系统进行建模，以反映近期超导量子比特实验的物理实际。
• 推导激光抑制的解析条件，并通过数值方法加以验证。

提出的方法

• 使用二能级人工原子模型，其中弛豫由电压偏置驱动，实现从基态到激发态的反向弛豫。
• 应用半经典理论和速率方程，描述腔场和原子布居数的动力学行为。
• 引入三能级原子模型，以更准确地捕捉真实超导电荷量子比特的物理机制。
• 基于跃迁速率，推导激光阈值和抑制条件的解析表达式。
• 进行数值模拟，比较不同弛豫速率下的解析预测结果。
• 利用跃迁速率分析，识别出导致激光被抑制的临界弛豫速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单个人工原子与腔模耦合且弛豫方向反向时，激光行为在何种条件下发生？
• RQ2 增加弛豫速率如何影响激光的起始和稳定性？
• RQ3 激光抑制的解析阈值条件如何以弛豫速率和耦合强度表示？
• RQ4 二能级和三能级原子模型在预测实际超导量子比特系统中激光行为方面的表现如何？
• RQ5 在激光和抑制激光两种稳态下，腔场振幅分别是多少？

主要发现

• 当弛豫由基态向激发态偏置时，单个人工原子可实现激光行为，从而实现粒子数反转。
• 当弛豫速率超过临界阈值时，激光被抑制，该阈值取决于原子-腔耦合强度。
• 基于速率方程推导出的激光抑制解析条件与数值模拟结果高度一致。
• 三能级原子模型相较于二能级模型，能更准确地描述实验实现的超导量子比特中的激光行为。
• 在抑制激光区域，腔场振幅显著降低，证实了从相干辐射向非相干弛豫的转变。
• 在临界弛豫速率处，系统表现出从激光到非激光行为的急剧转变，表明存在明确的阈值。