論文の概要: Theory of Three-Photon Transport Through a Weakly Coupled Atomic Ensemble
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.03428v1
- Date: Fri, 04 Jul 2025 09:36:26 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2025-07-08 15:46:34.731164
- Title: Theory of Three-Photon Transport Through a Weakly Coupled Atomic Ensemble
- Title（参考訳）: 弱結合原子アンサンブルによる3光子輸送の理論
- Authors: Yangming Wang, Noe Demazure, Sahand Mahmoodian,
- Abstract要約: 非平衡量子系における多光子相互作用を理解することは、量子光学において顕著な課題である。
本研究では1次元導波路に弱結合した原子アンサンブルにおける3光子相互作用を探索するための解析的および図式的枠組みを開発する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Understanding multi-photon interactions in non-equilibrium quantum systems is an outstanding challenge in quantum optics. In this work, we develop an analytical and diagrammatic framework to explore three-photon interactions in atomic ensembles weakly coupled to a one-dimensional waveguide. Taking advantage of the weak coupling, we use our diagrammatic framework to perform perturbation theory and calculate the leading-order contributions to the three-photon wavefunction, which would otherwise be intractable. We then compute the outgoing photon wavefunction of a resonantly driven atomic ensemble, with photon-photon interactions truncated up to three photons. Our formulation not only captures the individual transmission of photons but also isolates the connected S-matrix elements that embody genuine photon-photon correlations. Through detailed analysis, we obtain the analytic expressions of the connected third-order correlation function and the third-order electric-field-quadrature cumulant, which reveal non-Gaussian signatures emerging from the interplay of two- and three-photon processes. We also calculate the optical depth where non-Gaussian photon states can be observed. Numerical simulations based on a cascaded master equation validate our analytical predictions on a small-scale system. These results provide a formalism to further explore non-equilibrium quantum optics in atomic ensembles and extend this to the regime of non-Gaussian photon transport.
- Abstract（参考訳）: 非平衡量子系における多光子相互作用を理解することは、量子光学において顕著な課題である。
本研究では,原子アンサンブル中の3光子相互作用を1次元導波路に弱い結合で探索する解析的および図解的枠組みを開発する。
弱い結合の利点を生かして、我々の図式フレームワークを用いて摂動理論を実行し、3光子波動関数への先行的な寄与を計算する。
次に、共鳴駆動された原子アンサンブルの光子波動関数を計算し、光子-光子相互作用を3つの光子に切り換えた。
我々の定式化は光子の個々の透過を捉えるだけでなく、真の光子-光子相関を具現化したS-行列要素を分離する。
詳細な解析により、結合した3階相関関数と3階電界四重項累積関数の解析式を求め、2-および3-光子過程の相互作用から生じる非ガウス的シグネチャを明らかにする。
また、非ガウス光子状態が観測できる光深さも計算する。
カスケードマスター方程式に基づく数値シミュレーションにより,小規模システムにおける解析的予測を検証した。
これらの結果は、原子アンサンブル中の非平衡量子光学をさらに探求し、これを非ガウス光子輸送の体制にまで拡張する公式性を与える。
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