論文の概要: Microscopic Origin of Superradiant Biphoton Emission in Atomic Ensembles
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2602.11438v1
- Date: Wed, 11 Feb 2026 23:26:08 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-02-13 21:07:25.574902
- Title: Microscopic Origin of Superradiant Biphoton Emission in Atomic Ensembles
- Title（参考訳）: 原子集合体における超放射光双光子放出の微視的起源
- Authors: Zi-Yu Liu, Jiun-Shiuan Shiu, Wei-Lin Chen, Yong-Fan Chen,
- Abstract要約: 原子アンサンブルからの超放射性双光子放出は、相関量子光を生成するための強力な経路を提供する。
ここでは、Heisenberg--Langevin--Maxwellフレームワーク内で、散逸と量子ノイズを明示的に包含する完全な量子顕微鏡理論を示す。
以上の結果から,超ラジカル双光子生成の統一顕微鏡像を確立し,原子双光子源の明るさ,ペアリング効率,時間構造の設定における真空揺らぎと散逸の基本的な役割を明らかにした。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 4.316532157293869
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Superradiant biphoton emission from atomic ensembles provides a powerful route to generating highly correlated quantum light, yet its microscopic physical origin has remained incompletely understood. In particular, it is often unclear how collective enhancement, spontaneous emission, and vacuum fluctuations jointly give rise to both paired biphoton generation and unavoidable unpaired background within a single, self-consistent framework. Here we present a fully quantum microscopic theory within a unified Heisenberg--Langevin--Maxwell framework that explicitly incorporates dissipation and quantum noise, thereby revealing the microscopic origin of superradiant biphoton emission in atomic ensembles. The theory provides a consistent description of parametric gain and unpaired noise within the same open-quantum-system framework and applies to both Doppler-free cold atomic ensembles and Doppler-broadened warm vapors. In the high-optical-depth regime, the coupled propagation equations admit analytical solutions, under which the biphoton dynamics rigorously reduce to an effective collective two-level emission process. Within this limit, the biphoton correlation time and spectral properties are shown to obey closed-form scaling relations governed by optical depth and excited-state decoherence. Our results establish a unified microscopic picture of superradiant biphoton generation and clarify the fundamental role of vacuum fluctuations and dissipation in setting the brightness, pairing efficiency, and temporal structure of atomic biphoton sources, with direct relevance to quantum networking and atomic quantum interfaces.
- Abstract（参考訳）: 原子アンサンブルからの超放射性双光子放出は、高相関の量子光を生成するための強力な経路を提供するが、その微視的な物理的起源はいまだに完全に理解されていない。
特に、集合的増強、自然放出、真空変動が、一対の双光子生成と避けられない不対の背景の両方を単独の自己一貫性の枠組み内でどのように引き起こすかは、しばしば不明確である。
ここでは、散逸と量子ノイズを明示的に包含し、原子アンサンブルにおける超放射性双光子放出の顕微鏡的起源を明らかにする、統一ハイゼンベルク-ランゲヴィン-マクスウェルフレームワーク内で完全に量子顕微鏡理論を示す。
この理論は、同じ開量子系におけるパラメトリックゲインと不対流雑音を一貫して記述し、ドップラーフリーの冷水原子アンサンブルとドップラーブロードされた熱蒸気の両方に適用する。
高光学-深度系では、結合された伝播方程式は解析解を許容し、二光子ダイナミクスは厳密に2段階の効率的な放出過程に還元される。
この限界の中では、双光子相関時間とスペクトル特性は、光深度と励起状態のデコヒーレンスによって支配される閉形式スケーリング関係に従うことが示されている。
この結果は,超放射光双光子生成の統一的な顕微鏡像を確立し,原子双光子源の明るさ,ペアリング効率,時間構造の設定における真空揺らぎと散逸の基本的な役割を明らかにし,量子ネットワークや原子量子インターフェースに直接関係している。
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