論文の概要: Single-photon superradiance and subradiance in helical collectives of quantum emitters

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.22468v1
• Date: Sun, 26 Oct 2025 00:52:17 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-28 15:28:15.213412
• Title: Single-photon superradiance and subradiance in helical collectives of quantum emitters
• Title（参考訳）: 量子エミッタのヘリカル集団における単一光子超放射とサブ放射
• Authors: Hamza Patwa, Philip Kurian,
• Abstract要約: 2レベル系(TLS)の分布からの光の集合放出は、1954年にロバート・ディック(Robert Dicke)によって初めて予測された。 我々は、単一光子とTLSの連続分布との相互作用に対する集団崩壊率とラムシフトに関する新しい解析式を導出した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Collective emission of light from distributions of two-level systems (TLSs) was first predicted in 1954 by Robert Dicke, who showed that when $N$ quantum emitters absorb photons, their collective radiative decay rate can be enhanced (superradiance) or suppressed (subradiance) relative to a single emitter. In this work, we derive novel analytical expressions for the collective decay rates and Lamb shifts for the interaction of a single photon with a continuous distribution of TLSs on an infinite line and an infinite helix. We compare these solutions to collectives of TLSs on a cylinder, finding limits in which the eigenvalues of structures of different dimensions are equal. We also compare our solution with arrangements where the emitter distribution is discrete rather than continuous, and when short- ($1/r^3$), intermediate- ($1/r^2$), and long-range ($1/r$) interaction terms are included. We find important differences between the discrete vector and continuous scalar emitter cases, which do not agree in the limit where discrete spacing goes to 0. The analytical solution for the helix is then used to make estimates of the maximally superradiant state, thermally averaged collective decay rate, and percentage of trapped states of quantum emitter architectures in protein fibers. Given the differences between our idealized infinite helix and the numerical model describing protein fibers, our analytical estimates show excellent agreement with the numerical results for sparse arrangements of emitters in protein fibers. Our work thus bridges the gap between different formalisms for superradiance, aids the engineering of devices which harness quantum optical effects for computing with superradiant error correction and subradiant memories, and motivates the discovery and creation of flexible platforms for quantum information processing using the intrinsic helical geometries of biomatter.
• Abstract（参考訳）: 1954年、ロバート・ディック(Robert Dicke)は2層系(TLS)の分布から放射される光の集団放出を初めて予測し、N$の量子放出体が光子を吸収すると、その集団放射崩壊速度は1つの放出体に対して増強(超放射)または抑制(減光)されることを示した。 本研究では、単一光子と無限直線上のTLSの連続分布と無限ヘリックスとの相互作用に関する新しい解析式とラムシフトを導出する。 これらの解をシリンダー上のTLSの集合と比較し、異なる次元の構造の固有値が等しい極限を求める。 我々はまた、エミッター分布が連続ではなく離散的であり、短値(1/r^3$)、中間値(1/r^2$)、長距離値(1/r$)の相互作用項を含むような配置と比較する。 離散ベクトルと連続スカラーエミッターの場合の間に重要な違いがみられ、これは離散間隔が 0 になる極限に一致しない。 ヘリックスの分析解は、最大超放射能状態、熱的に平均化された集合崩壊率、およびタンパク質繊維中の量子エミッタ構造が捕捉された状態の比率を推定するために用いられる。 理想化された無限ヘリックスとタンパク質繊維を記述した数値モデルとの相違を考えると,タンパク質繊維中のエミッタのスパース配置の数値計算結果とよく一致している。 我々の研究は、超放射能の異なる形式間のギャップを埋め、超放射能誤差補正とサブラジアント記憶を用いた計算に量子光学効果を利用する装置の工学を支援し、バイオマターの固有のヘリカルジオメトリを用いた量子情報処理のための柔軟なプラットフォームの発見と作成を動機付けている。

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