[论文解读] Spontaneous Scattering of Raman Photons from Cavity-QED Systems in the Ultrastrong Coupling Regime

Vincenzo Macrí, Alberto Mercurio+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2022

Strong Light-Matter Interactions被引用 1

一句话总结

本文表明，在无任何振动自由度的腔量子电动力学（cavity-QED）系统中，仅通过超强光-物质耦合，即可实现光子的自发拉曼散射（产生斯托克斯光子和反斯托克斯光子）。通过采用含两能级系统驱动的腔-QED系统的量子力学模型，作者证明当耦合强度接近模频率时，拉曼过程在发射谱中表现为明显的共振峰，揭示了一种在超强耦合 regime 中生成量子态和表征系统的新机制。

ABSTRACT

We show that spontaneous Raman scattering of incident radiation can be observed in cavity-QED systems without external enhancement or coupling to any vibrational degree of freedom. Raman scattering processes can be evidenced as resonances in the emission spectrum, which become clearly visible as the cavity-QED system approaches the ultrastrong coupling regime. We provide a quantum mechanical description of the effect, and show that ultrastrong light-matter coupling is a necessary condition for the observation of Raman scattering. This effect, and its strong sensitivity to the system parameters, opens new avenues for the characterization of cavity QED setups and the generation of quantum states of light.

研究动机与目标

• 识别一种不依赖振动模式或外部驱动的腔-QED系统中自发拉曼散射的机制。
• 确立超强光-物质耦合是在无声子条件下观察此类拉曼过程的必要条件。
• 提供腔-QED中拉曼散射的完整量子力学描述，包括发射谱和共振特征。
• 证明传感器方法与弗洛凯理论可用于计算受驱动、时变腔-QED系统的时间平均发射谱。

提出的方法

• 该研究采用单个腔模、两能级系统（TLS）和弱耦合传感器量子比特的腔-QED系统模型，使用偶极表象以保证规范不变性。
• 哈密顿量包含完整的量子Rabi模型相互作用项，保留了超强耦合区域中至关重要的反旋项。
• 在频率 ωL 处施加时变驱动，导致李乌维illian算符具有时间周期性成分，因此需要使用弗洛凯理论进行分析。
• 通过递归求解弗洛凯超算符方程，计算时间平均稳态，从而实现发射谱的计算。
• 从稳态密度矩阵中提取传感器频率处的发射谱，其速率与涉及传感器下/上旋算符的迹成正比。
• 结合数值模拟与解析预测，识别出发射谱中与拉曼散射过程对应的清晰共振峰。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在无任何振动或声子自由度的腔-QED系统中观察到光子的自发拉曼散射？
• RQ2 超强光-物质耦合在腔-QED中实现拉曼散射过程时起到何种作用？
• RQ3 相干驱动的腔-QED系统的发射谱如何在超强耦合区域揭示拉曼散射的特征？
• RQ4 传感器方法与弗洛凯理论能否准确描述受驱动、时间周期性腔-QED系统的时间平均发射谱？
• RQ5 拉曼共振的量子力学起源是什么？它们与标准受激拉曼过程有何不同？

主要发现

• 在超强耦合区域的腔-QED系统发射谱中，光子的自发拉曼散射（产生斯托克斯光子和反斯托克斯光子）表现为明显的共振峰。
• 由于激发数守恒，在弱耦合区域中拉曼散射被严格禁止，但当量子Rabi哈密顿量中的反旋项被激活时，该过程成为可能。
• 仅当耦合强度 g 与腔模频率和量子比特频率相当时，发射谱中的共振峰才清晰可见，证实了超强耦合区域的必要性。
• 完整的量子力学描述表明，其底层哈密顿量不守恒总激发数，从而允许非弹性散射过程。
• 传感器方法成功捕捉了发射谱，时间平均稳态通过弗洛凯理论计算，结果与精确数值模拟一致，验证了方法的有效性。
• 该系统对耦合参数表现出强敏感性，使其成为量子态工程和腔-QED系统表征的有前途平台。