論文の概要: A general dark-state theory for arbitrary multilevel quantum systems

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.05561v1
• Date: Tue, 07 Oct 2025 04:14:14 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-08 17:57:08.092679
• Title: A general dark-state theory for arbitrary multilevel quantum systems
• Title（参考訳）: 任意の多レベル量子系に対する一般ダークステート理論
• Authors: Xuan Zhao, Le-Man Kuang, Jie-Qiao Liao,
• Abstract要約: 結合構成を持つ多レベル量子系の暗黒状態を決定するための一般的な理論を提案する。 我々の理論は、現代の量子科学と技術における多レベル量子システムの暗黒状態の操作と利用の道を開いた。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.2468861680564214
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The dark-state effect, caused by destructive quantum interference, is an important physical effect in atomic physics and quantum optics. It not only deepens the understanding of light-atom interactions, but also has wide application in quantum physics and quantum information. Therefore, how to efficiently and conveniently determine the number and form of the dark states in multilevel quantum systems with complex transitions is an important and interesting topic in this field. In this work, we present a general theory for determining the dark states in multilevel quantum systems with any coupling configuration using the arrowhead-matrix method. To confirm the dark states in a multilevel system, we first define the upper- and lower-state subspaces, and then diagonalize the Hamiltonians restricted within the two subspaces to obtain the dressed upper and lower states. By further expressing the transitions between the dressed upper and lower states, we can map the multilevel system to a bipartite-graph network, in which the nodes and links are acted by the dressed states and transitions, respectively. Based on the coupling configurations of the network, we can determine the lower dark states with respect to the upper-state subspace. As examples, we analyze the dark states in three-, four-, and five-level quantum systems, for all possible configurations through the classification of the numbers of upper and lower states. Further, we extend the framework to multilevel quantum systems and discuss the existence of dark states in some typical configurations. We also recover the results of the dark-state polaritons in driven three-level systems with the arrowhead-matrix method. Our theory paves the way for manipulating and utilizing the dark states of multilevel quantum systems in modern quantum science and technology.
• Abstract（参考訳）: 破壊的な量子干渉によって引き起こされる暗黒状態効果は、原子物理学や量子光学において重要な物理効果である。 光原子相互作用の理解を深めるだけでなく、量子物理学や量子情報にも広く応用されている。 したがって、複雑な遷移を持つ多層量子系の暗黒状態の数と形を効率的に、かつ便利に決定する方法は、この分野において重要かつ興味深いトピックである。 本研究では,アローヘッド・マトリクス法を用いて,任意の結合構成を持つ多レベル量子系の暗黒状態を決定するための一般的な理論を提案する。 多層系の暗黒状態を確認するために、まず上と下の部分空間を定義し、次に2つの部分空間内に制限されたハミルトニアンを対角化して、服を着た上と下の状態を得る。 着飾った上層状態と下層状態の遷移をさらに表現することにより、ノードとリンクがそれぞれ着飾った状態と遷移によって作用する二部グラフネットワークにマルチレベルシステムをマッピングすることができる。 ネットワークの結合構成に基づいて、上位状態部分空間に関して下位の暗黒状態を決定することができる。 例として、3段階、4段階、および5段階の量子系における暗黒状態を分析する。 さらに、このフレームワークをマルチレベル量子システムに拡張し、いくつかの典型的な構成における暗黒状態の存在について議論する。 また,アローヘッド・マトリクス法による3レベル駆動系における暗状態偏光子の結果を復元した。 我々の理論は、現代の量子科学と技術における多レベル量子システムの暗黒状態の操作と利用の道を開いた。

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