論文の概要: Analytical Theory of Higher-Order Collective Spin Interactions in Cavity Quantum Electrodynamics

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2608.14343v1
• Date: Fri, 14 Aug 2026 14:31:40 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2026-08-17 20:14:29.407718
• Title: Analytical Theory of Higher-Order Collective Spin Interactions in Cavity Quantum Electrodynamics
• Title（参考訳）: キャビティ量子電磁力学における高次集団スピン相互作用の解析理論
• Abstract要約: キャビティを媒介とする集合-スピン相互作用は、通常二次的な1軸ねじれハミルトン多様体によって記述される。 非線形係数 $_k$ はチェビシェフによって支配され、$k$ は非線形性の順序であることを示す。 我々は、高次項が集団スピン力学を実質的に変化させる実験的な関係のレジームを同定する。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.5696201935316318
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: Cavity-mediated collective-spin interactions are commonly described by a quadratic one-axis twisting Hamiltonian. However, the underlying atom-light interaction naturally generates nonlinearities to arbitrary order. Here, we derive a closed-form analytical expression for the complete hierarchy of cavity-mediated collective-spin interactions. We show that the nonlinear coefficients $χ_k$ are governed by Chebyshev polynomials, with $k$ the order of nonlinearity. This yields a universal scaling $χ_k\proptoη^k$ with the single-atom cooperativity $η$ and a description of their dependence on cavity detuning. The result provides a systematic framework for determining when higher-order nonlinearities become relevant and when the quadratic approximation breaks down. We identify experimentally relevant regimes in which higher-order terms substantially modify collective-spin dynamics, accelerating the generation of quantum correlations and quantum Fisher information, and demonstrate that finite-order expansions can accurately reproduce the full cavity-mediated evolution. Our results establish a general framework for understanding higher-order nonlinearities in cavity quantum electrodynamics and their role in collective entanglement and quantum-enhanced sensing.
• Abstract（参考訳）: キャビティを媒介とする集合-スピン相互作用は、通常二次的な1軸ねじれハミルトン多様体によって記述される。 しかし、基礎となる原子-光相互作用は自然に任意の順序で非線形性を生成する。 ここでは空洞を媒介とする集団-スピン相互作用の完全な階層に対する閉形式解析式を導出する。 我々は、非線型係数 $ _k$ がチェビシェフ多項式によって支配され、非線型性の次数 $k$ が成り立つことを示す。 これは、単一の原子の協調性を持つ$η$と、それらのキャビティデチューニングへの依存を記述することで、普遍的なスケールの$\_k\proptoη^k$をもたらす。 その結果、高次非線形性がいつ関連し、二次近似が崩壊するかを決定するための体系的な枠組みが提供される。 我々は、高次項が集団スピンのダイナミクスを実質的に変更し、量子相関と量子フィッシャー情報の生成を加速する実験的な関係を同定し、有限次展開が空洞を介する進化を正確に再現できることを実証する。 本研究は、空洞量子力学における高次非線形性とその集団絡み合いと量子エンハンスドセンシングにおける役割を理解するための一般的な枠組みを構築した。

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