[论文解读] Waveguide quantum electrodynamics: collective radiance and photon-photon correlations

A. S. Sheremet, Mihail Petrov+3 more|Figshare|Mar 11, 2021

Quantum Information and Cryptography被引用 7

一句话总结

本文对波导量子电动力学（WQED）进行了全面的理论与实验综述，聚焦于耦合到导波光子的一维量子发射体阵列中的集体光-物质相互作用。文中详细阐述了通过工程化设计发射体排列可实现的超辐射态与亚辐射态、束缚光子模以及强光子-光子关联，关键进展已在原子、超导和固态平台中得到验证。

ABSTRACT

This review describes the emerging field of waveguide quantum electrodynamics (WQED) concerned with the interaction of photons propagating in a waveguide with localized quantum emitters. The collective emitter-photon interactions can lead to both enhanced and suppressed coupling compared to the case of independent emitters. Here, we focus on guided photons and ordered arrays, leading to super- and sub-radiant states, bound photon states and quantum correlations with promising quantum information applications. We highlight recent groundbreaking experiments performed with different quantum platforms, including cold atoms, superconducting qubits, semiconductor quantum dots, quantum solid-state defects, and we provide a comprehensive introduction to theoretical techniques to study the interactions and dynamics of these emitters and the photons in the waveguide.

研究动机与目标

• 综合近期波导量子电动力学（WQED）的理论与实验进展，重点强调集体发射体-光子相互作用。
• 解释波导中有序量子发射体阵列如何通过超辐射与亚辐射实现增强或抑制的光-物质耦合。
• 提供统一的理论框架，以理解一维系统中的光子-光子关联、束缚态及量子关联。
• 比较最先进的实验平台——包括冷原子、超导量子比特和量子点——展示可调谐的光子聚集、反聚集及量子存储性能。
• 提供详细的理论工具包，用于建模光-物质相互作用，包括输入-输出形式化、Bethe ansatz方法及泛函积分方法。

提出的方法

• 使用输入-输出形式化（附录A）来模拟具有波导模式和局域发射体的开放量子系统。
• 应用转移矩阵法（附录B）计算周期性阵列中的反射与透射系数。
• 采用Bethe ansatz（附录D）和泛函积分方法（附录E）求解多体光子-发射体散射问题。
• 在电子（附录F）和激子（附录G）表象中使用格林函数技术，研究双光子散射过程。
• 应用Ewald求和（公式201）和Floquet求和（参考文献[29]）以评估无限阵列中的长程偶极-偶极相互作用。
• 推导有效哈密顿量与极化率（公式199），以描述集体耦合与重整化的发射体响应。

Figure 1: Schematic illustration of light-matter interaction in various atomic ensembles. (a) Light beam propagation and scattering in a disordered dilute atomic array in free space. (b) Interaction of an ordered atomic array with the guided photon mode. Subradiant and bright collective array excita

实验结果

研究问题

• RQ1 在耦合到波导的一维发射体阵列中，超辐射与亚辐射等集体效应如何产生？
• RQ2 波导QED系统中强光子-光子关联与束缚态形成的机制是什么？
• RQ3 手性耦合与自旋-动量锁定如何导致光子定向发射及非互易光-物质相互作用？
• RQ4 波导阵列中极强耦合与拓扑光子模式的理论与实验特征是什么？
• RQ5 Bethe ansatz与泛函积分等理论方法如何被适配以描述波导QED中的多体动力学？

主要发现

• 在波导耦合的原子阵列中实验观测到超辐射与亚辐射，其中亚辐射态实现了长寿命量子存储（第IV.4节）。
• 在原子阵列中实现了可调谐的光子聚集与反聚集，支持按需生成单光子与纠缠光子（第IV.1节）。
• 理论建模表明，由于波导介导的有效吸引相互作用，束缚光子态形成，其能级分裂取决于阵列几何结构。
• 在无限阵列中，集体耦合的晶格求和收敛缓慢，但通过Ewald与Floquet求和技术（公式201–207）可获得极化率与反射系数的有限且精确结果。
• 有效相互作用常数（公式199）包含近场（S/2 ≈ 4.515/a³）与中场（S′ ≈ −3.90/a）贡献，发散项通过正则化方法相互抵消。
• 对于a < λ的阵列，推导出反射系数r = 2πiω/(ca²)·α̃与透射系数t = 1 + r，表明其强烈依赖于发射体间距与耦合强度。

Figure 2: (a) Comparison of waveguide coupling efficiency $\beta$ and number of emitters $N$ for different platforms of waveguide quantum electrodynamics. (b–e) schematic illustrations of different platforms reproduced from Refs.: (b) [ 204 ] ,(c) [ 83 ] ,(d) [ 285 ] , (e) [ 56 ] , (f) [ 93 ] , (g)