論文の概要: Multi-Photon Quantum Rabi Models with Center-of-Mass Motion

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2507.04829v1
• Date: Mon, 07 Jul 2025 09:50:48 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-08 15:46:35.366081
• Title: Multi-Photon Quantum Rabi Models with Center-of-Mass Motion
• Title（参考訳）: 中心運動を持つ多光子量子ラビモデル
• Authors: Sabrina Hartmann, Nicolija Momčilović, Alexander Friedrich,
• Abstract要約: 本稿では,多価ロンバダの原子を空洞内で記述するための厳密な第二量子化フレームワークを提案する。 このアプローチの重要な特徴は、ハミルトニアン平均化理論の原子場作用素への体系的応用である。 顕著な発見は、粒子-粒子相互作用の出現である。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 45.73541813564926
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The precise control of light-matter interaction serves as a cornerstone for diverse quantum technologies, spanning from quantum computing to advanced atom optics. Typical experiments often feature multi-mode fields and require atoms with intricate internal structures to facilitate e.g., multi-photon interactions or cooling. Moreover, the development of high-precision cold-atom sensors necessitates the use of entangled atoms. We introduce a rigorous, second-quantized framework for describing multi-$\Lambda$-atoms in a cavity, encompassing their center-of-mass motion and interaction with a two-mode electromagnetic field. A key feature of our approach is the systematic application of a Hamiltonian averaging theory to the atomic field operators, enabling the derivation of a compact and physically insightful effective Hamiltonian governing the system's time evolution. This effective Hamiltonian not only incorporates the AC-Stark and Bloch-Siegert shifts, augmented by contributions from all involved ancillary states, but also includes effects from counter-rotating terms, offering a more complete description than conventional RWA-based models. A significant finding is the emergence of a particle-particle interaction mediated by ancillary states, stemming directly from the combined quantum nature of the coupled electromagnetic field and atomic system. We illustrate the practical implications of our model through an analysis of atomic Raman diffraction, determining the time evolution for a typical initial state and demonstrating the resulting Rabi oscillations. Furthermore, our results confirm that both the atomic and optical Hong-Ou-Mandel effect can be observed within this Raman configuration, utilizing a specific two-particle input state, thereby extending the utility of Raman diffraction for quantum interference phenomena and providing a microscopic model of the effect.
• Abstract（参考訳）: 光-物質相互作用の精密制御は、量子コンピューティングから高度な原子光学まで、様々な量子技術の基盤となる。 典型的な実験は多モード場を特徴とし、例えば、多光子相互作用や冷却を促進するために複雑な内部構造を持つ原子を必要とする。 さらに、高精度な冷間原子センサーの開発は、絡み合った原子の使用を必要とする。 キャビティ内に多価ロンバダの原子を記述するための厳密な第2量子化フレームワークを導入し、その中心運動と2モード電磁場との相互作用を包含する。 このアプローチの重要な特徴は、ハミルトニアン平均化理論の原子場作用素への体系的応用であり、システムの時間進化を管理するコンパクトで物理的に洞察に富んだ効果的なハミルトニアンの導出を可能にする。 この効果的なハミルトニアンは、AC-StarkとBloch-Siegertのシフトを取り入れ、関連する全ての補助状態からの貢献によって強化されるだけでなく、反回転項の影響も含み、従来のRWAモデルよりも完全な記述を提供する。 顕著な発見は、連成電磁場と原子系の結合した量子の性質から直結して、陽子状態によって媒介される粒子-粒子相互作用の出現である。 本稿では,原子ラマン回折を解析し,典型的な初期状態の時間進化を定式化し,その結果のラビ振動を実証することにより,本モデルの実用的意味を説明する。 さらに, このラマン構成では, 特定の2粒子の入力状態を利用して, 原子および光学的ホン・ウー・マンデル効果が観察可能であることを確認し, 量子干渉現象に対するラマン回折の有用性を拡張し, その効果の顕微鏡モデルを提供する。

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