論文の概要: Quantum Multiphoton Rabi Oscillations in Waveguide QED

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2310.15412v1
• Date: Tue, 24 Oct 2023 00:03:38 GMT
• ステータス: 処理完了
• システム内更新日: 2023-10-25 21:24:17.753784
• Title: Quantum Multiphoton Rabi Oscillations in Waveguide QED
• Title（参考訳）: 導波路QEDにおける量子多光子ラビ振動
• Authors: Debsuvra Mukhopadhyay and Jung-Tsung Shen
• Abstract要約: チップスケールナノフォトニクス、特にキャビティQEDと導波路QEDの量子情報処理技術の将来 量子フォトニクス技術を支える最も先進的なプロセスの1つは、ラビ振動の現象である。 2レベルエミッタと相互作用するフォトニックフォック状態の散乱ダイナミクスを解析的に検討する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
• Abstract: The future of quantum information processing hinges on chip-scale nanophotonics, specifically cavity QED and waveguide QED. One of the foremost processes underpinning quantum photonic technologies is the phenomenon of Rabi oscillations, which manifests when a qubit is irradiated by an intense laser source. Departing from the conventional semiclassical framework, we expound on the more general, quantum-theoretic case where the optical excitation takes the form of a multiphoton Fock state, and the qubit couples to a continuum of radiation modes. By employing the real-space formalism, we analytically explore the scattering dynamics of the photonic Fock state as it interfaces with a two-level emitter. The resulting amplitude for atomic excitation features a linear superposition of various independent scattering events that are triggered by the potential of sequential photon absorptions and emissions. The lowest-order excitation event, initiated by the stochastic scattering of one of the several photons, aptly characterizes the dynamics in a weak-field environment. This is complemented by a multitude of higher-order scattering events ensuing from repeated atom-photon interactions. The temporal evolution of the qubit excitation in our configuration closely mirrors the semiclassical predictions, particularly in the strong-pumping limit where Rabi oscillations unfold. Notably, this compatibility with the semiclassical paradigm applies both to the weak-driving and large-detuning limits. Our analysis, therefore, extends the existing results on quantum Rabi oscillations pertinent to single-mode cavity QED, to the multimode, waveguide-QED configurations wherein flying photons are the information carriers. Finally, we explore the scattering dynamics of pulsed wave packets, highlighting the potential to substantially enhance excitation efficiency, even in scenarios involving just a few photons.
• Abstract（参考訳）: 量子情報処理の未来は、チップスケールのナノフォトニクス、特にキャビティQEDと導波路QEDである。 量子フォトニクス技術を支える最前線のプロセスの1つは、強いレーザー源によって量子ビットが照射されたときに現れるラビ振動現象である。 従来の半古典的枠組みとは別に、光励起が多光子フォック状態の形で、キュービットカップルが放射線モードの連続体となるより一般的な量子論的ケースについて述べる。 実空間の定式化を利用して、2レベルエミッタと相互作用するフォトニックフォック状態の散乱ダイナミクスを解析的に探索する。 原子励起の振幅は、逐次光子吸収と放出のポテンシャルによって引き起こされる様々な独立した散乱事象の線形重ね合わせを示す。 数個の光子のうちの1つが確率的散乱によって始められた最低次励起は、弱場環境におけるダイナミクスを適切に特徴づける。 これは、原子-光子相互作用の繰り返しによる高次散乱現象によって補われる。 我々の構成におけるクォービット励起の時間的進化は、特にラビ振動が展開する強跳躍極限において、半古典的な予測を密接に反映している。 特に、この半古典的パラダイムとの互換性は、弱い運転と大きな調整の限界の両方に適用される。 したがって,本解析では,単一モードキャビティqedに関連する量子ラビ振動の既存の結果から,光子を情報キャリアとするマルチモード導波路qed構成まで拡張する。 最後に、パルス波パケットの散乱ダイナミクスについて検討し、少数の光子を含むシナリオにおいても励起効率を大幅に向上させる可能性を明らかにする。

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