論文の概要: Quantum dynamics of few-photon pulsed waveguide-QED with a single artificial atom: frequency-dependent scattering theory and time-dependent matrix product states
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2603.16628v1
- Date: Tue, 17 Mar 2026 15:00:55 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-03-18 17:42:07.357454
- Title: Quantum dynamics of few-photon pulsed waveguide-QED with a single artificial atom: frequency-dependent scattering theory and time-dependent matrix product states
- Title（参考訳）: 単一人工原子を用いた数光子パルス導波路QEDの量子力学:周波数依存散乱理論と時間依存行列生成状態
- Authors: Sofia Arranz Regidor, Matthew Kozma, Stephen Hughes,
- Abstract要約: 導波路QED系における2レベル系(TLS)または量子ビットからなる1つの人工原子からのパルス数光子散乱の量子力学的研究について述べる。
本稿では,MPSを用いてより直接的に量子ビット・フィールドオブザーバブルの計算方法を示し,2光子相関関数の2倍の特性を持つ鳥のような形状を求める。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.4369550829556578
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: We present a quantum dynamical study of pulsed few-photon scattering from a single artificial atom, consisting of a two-level system (TLS) or qubit, in a waveguide QED system, directly comparing and contrasting two different quantum theoretical simulation methods: (i) an input-output scattering approach that uses frequency-dependent scattering matrices, and (ii) a matrix product states (MPS) approach, which uses quantum noise operators in time bins and a tensor network technique to solve the time-dependent waveguide function for the entire system. Beginning with pulsed excitation using one-photon and two-photon Fock state pulses, we first show how to compute time-dependent observables with the scattering matrix approach, in terms of frequency integrals that encode the pulse spectrum, including how to extract the population dynamics of the excited quantum emitter, as well as the linear and nonlinear contributions. We present solutions for both symmetric and chiral TLS coupling. We then show how to compute the qubit and field observables in a more direct way using MPS, and obtain the characteristic bird-like shape for the two-photon correlation function at two times, which has been observed in recent experiments. We compare and contrast both of these methods, for one and two-photon excitation pulses, and show excellent agreement. We also present a study of the linear and nonlinear contributions, which can easily be calculated using scattering theory, and show the important role of pulse duration. Finally, we demonstrate the clear advantages of MPS by easily going to higher N-photon excitations, and show selected example population dynamics of up to eight-photon Fock-state pulses, manifesting in clear nonlinear population oscillations during the pulse interaction, similar to classical Rabi oscillations, but with quantum input fields that have a vanishing electric field expectation value.
- Abstract（参考訳）: 導波管QED系における2レベル系(TLS)または量子ビットからなる1つの人工原子からのパルス小光子散乱の量子力学的研究を行い、2つの異なる量子理論シミュレーション法を直接比較・対比する。
(i)周波数依存散乱行列を用いた入出力散乱法、及び
(II) 行列積は、時間ビンにおける量子ノイズ演算子とテンソルネットワーク技術を用いて、システム全体の時間依存導波路関数を解く(MPS)アプローチを述べる。
1光子と2光子フォック状態パルスを用いたパルス励起から始め、パルススペクトルを符号化する周波数積分や、励起量子エミッタの集団動力学の抽出方法、線形および非線形寄与など、散乱行列アプローチによる時間依存観測値の計算方法を示す。
対称性およびキラル性TLS結合に対する解を提案する。
次に、MPSを用いて、より直接的に量子と磁場の観測値を計算する方法を示し、最近の実験で観測された2光子相関関数の2倍の特性を持つ鳥様形状を求める。
1光子励起パルスと2光子励起パルスの比較と対比を行い、良好な一致を示した。
また、散乱理論を用いて容易に計算できる線形および非線形寄与の研究を行い、パルス持続時間の重要な役割を示す。
最後に, パルス相互作用において, 古典ラビ発振と同様の非線形集団発振を呈し, 電場期待値が消える量子入力場を用いて, 最大8光子フォック状態パルスの集団動態を示す。
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