論文の概要: Photon statistics in waveguide QED: II Exact solutions in a thermodynamic limit

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.04660v1
• Date: Wed, 04 Mar 2026 22:47:23 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-03-06 22:06:10.999035
• Title: Photon statistics in waveguide QED: II Exact solutions in a thermodynamic limit
• Title（参考訳）: 導波路QEDにおける光子統計:II 熱力学極限における励起解
• Authors: M. Eltohfa, F. Robicheaux,
• Abstract要約: 一般的な導波路の設定では、量子力学はヒルベルト空間全体にまたがる。 光深度が増大するにつれて、導波路の指数関数的に高輝度化が示される。 また, カイラル系において, 導波管への放出速度の初期ショット・ツー・ショットの変動が減少することを示した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Waveguide quantum electrodynamics (WQED) offers a powerful framework for controlling light-matter interactions and realizing collective phenomena such as super- and subradiance. In general waveguide settings, the quantum dynamics spans the full Hilbert space, rendering exact theoretical treatments exponentially difficult and currently out of reach, and only a few models have exact, analytical solutions. Motivated by recent experiments, we treat the thermodynamic limit of the number of atoms, $N \rightarrow \infty$, while the homogeneous atom-waveguide coupling $β\rightarrow 0$ keeping the optical depth $4Nβ$ fixed. In this limit, a second order mean field method is exact, giving analytical solutions for the statistics of the photons emitted in the waveguide both for chiral and symmetric configurations starting from full inversion. As $N \rightarrow \infty$, the emission in freespace approaches that of an independent ensemble. However, until a special time, $\approx 1.59 \times$ the lifetime of a single-atom, we show an exponentially enhanced superradiance in the waveguide as the optical depth increases. After the special time, the emission into the waveguide exhibits subradiance. We also show that the initial shot-to-shot fluctuations in the rate of emission into the waveguide diminish in a chiral system and vanish in a symmetric system as $N$ approaches $\infty$. Additionally, the equal-time second-order correlation becomes trivial, showing that finite-size effects are essential to observe the emergence of second-order coherence. Finally, going beyond the thermodynamic limit requires higher order mean field methods. Our results illustrate finite- and infinite-body collective effects in symmetric and symmetry-lacking systems.
• Abstract（参考訳）: 導波管量子電磁力学(英語版)(WQED)は、光-物質相互作用を制御し、スーパー放射線やサブ放射のような集合現象を実現するための強力な枠組みを提供する。 一般的な導波路の設定では、量子力学はヒルベルト空間全体にまたがり、正確な理論的処理を指数関数的に困難にレンダリングし、現在到達できない。 最近の実験で得られた熱力学的限界である$N \rightarrow \infty$と、同質な原子-導波路結合である$β\rightarrow 0$は、光学的深さを4Nβ$に保ったままである。 この極限において、第2次平均場法は正確であり、完全な反転から始まるカイラル構成と対称構成の両方に対して導波路で放出される光子の統計に関する解析解を与える。 N \rightarrow \infty$ として、自由空間の放出は独立アンサンブルに近づく。 しかし、特別な時間、$\approx 1.59 \times$1原子の寿命まで、光深度が増加するにつれて、光導波路の指数的に増強された超放射能を示す。 特別な時間の後、導波路への放出はサブ輝度を示す。 また、導波管への放出速度の初期のショット・ツー・ショットの変動は、カイラル系では減少し、N$が$\infty$に近づくと対称系では消滅することを示した。 さらに、等時二階相関は自明になり、二階コヒーレンスの出現を観察するために有限サイズ効果が不可欠であることを示す。 最後に、熱力学限界を超えるためには、高次平均場法が必要となる。 この結果は、対称および対称ラッキング系における有限体および無限体集団効果を示す。

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