Spectral Properties of Two Superconducting Artificial Atoms Coupled to a Resonator in the Ultrastrong Coupling Regime
本研究实验探究了两个磁通量子位超强耦合至同一LC谐振器的超导电路，观测到免能级交叉与谱不对称性两种现象，为片上量子光学与量子信息新过程研究提供了新平台。
2025-05-19 quant-ph
Cavity QED simulation of qubit-oscillator dynamics in the ultrastrong coupling regime
基于原子与高精细度光腔模相互作用中的共振拉曼跃迁，提出了一种在超强耦合区中耦合到单模电磁场的二能级原子的量子模拟.我们通过数值模拟表明，实现该计划的可能性与一个单一的铷原子，其中两个超精细基态组成的有效的两级系统，腔QED参数，应该是可以实现的，例如，微环形回音壁模式谐振器。我们的系统还可以模拟一个广义模型，其中原子反转和腔光子数之间的非线性耦合与（超强）偶极耦合处于同等地位，甚至可以在单原子水平上产生临界型行为。我们的模型考虑到耗散，我们特别注意的是，将很容易观察到的系统输出的可观。
2013-04-12 quant-ph
Neutral atom entangling gate in the ultrastrong coupling regime
本文提出在超强耦合区利用共享玻色模式确定性纠缠量子比特或其系综的门方案，可制备最大纠缠态、压缩态和薛定谔猫态，并分析了自由演化导致的有效混合及实验可行性。
2025-01-10 quant-ph
Long-lasting Quantum Memories: Extending the Coherence Time of Superconducting Artificial Atoms in the Ultrastrong-Coupling Regime
量子系统受到与环境相互作用的影响，通过两个过程引起退相干：纯退相和能量弛豫。为了实现量子信息处理，提高约瑟夫森量子比特和其他人工二能级原子的相干时间是非常重要的。我们从理论上表明，如果这些量子比特和腔场之间的耦合是纵向的，并在超强耦合制度，系统是强烈的保护，防止松弛。反之亦然，如果耦合是横向的，并且在超强耦合状态下，则系统被保护免于纯失相。利用弛豫抑制，我们证明了有可能提高它们的相干时间，并将这些量子比特用作量子存储器。事实上，为了保持纯粹的退相的相干性，我们证明，它是可以应用动态解耦。我们也使用一个辅助的原子层级来储存和撷取量子信息。
2018-03-16 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Vacuum Rabi oscillation induced by virtual photons in the ultrastrong coupling regime
我们提出了一个相互作用方案，展示了一个真空场修饰的二能级原子携带的虚光子在超强耦合制度的动力学后果。我们表明，在外部驱动场的帮助下，虚光子提供了一个过渡矩阵元素，使原子能够相干地和可逆地演化到一个辅助水平，伴随着一个真正的光子的发射。该过程对应于一种真空拉比振荡，我们证明了有效真空拉比频率正比于基态中单个虚光子的振幅。因此，该相互作用方案可以作为一个探测的基态结构在超强耦合制度。
2013-01-02 quant-ph
Release of virtual photon and phonon pairs from qubit-plasmon-phonon ultrastrong coupling system
本文研究量子比特-等离激元-声子超强耦合系统中三能级原子自发辐射产生虚光子与虚声子对的机制，证明原子-声子耦合起主动作用并可产生强光子/声子流，为USC基态虚粒子对研究提供新途径。
2023-09-06 quant-ph
Multiphoton interaction of a qutrit with single-mode quantized field in the ultrastrong and deep strong coupling regimes
研究了由三态原子和单模光子场组成的量子系统在超强和深强耦合下的多光子动力学，当耦合强度大于或等于振子能量标度时.我们假设一个qutrit是在一个极性- $Λ$配置，其中两个较低的水平有平均偶极矩。直接多光子共振跃迁揭示广义拉比振荡，崩溃，和复活的原子激发几率的超强耦合进行了研究。在深强耦合区，重点研究了具有严格非经典性质的体系的基态。
2014-09-04 quant-ph
Cavity Quantum Electrodynamics in the Ultrastrong Coupling Regime
我们重温了著名的Jaynes-Cummings-Paul哈密顿量的数学公式，它描述了一个二能级原子与电磁腔库的单模相互作用。我们严格地证明了在原子与腔场之间的超强耦合条件下，当跃迁频率与耦合频率相当时，玻色场算符将经历非正弦的时间变化。因此，即使不使用旋转波近似，Jaynes-Cummings-Paul模型的著名解也不再有效。我们将展示如何找到正确的数学解决方案。
2010-08-18 quant-ph
Vacuum degeneracy of a circuit-QED system in the ultrastrong coupling regime
从理论上研究了$N$超导Josephson原子链与传输线谐振腔感应耦合的量子真空特性。我们导出了这种电路-QED系统的量子场哈密顿量，表明由于相互作用的类型和强度，在临界耦合以上的二次简并量子真空中可以发生量子相变.在有限尺寸的情况下，简并被解除，能量分裂随着$g^2 N^2$的值的增加呈指数下降，其中$g$是每个人造原子的无量纲真空拉比耦合。我们确定了任意数目的人工原子和谐振腔模的两个简并真空的超强耦合渐近表达式。在超强耦合制度的简并保护相对于随机波动的约瑟夫森元件的跃迁能量。
2010-01-15 cond-mat.supr-con quant-ph
Circuit QED Spectra in the Ultrastrong Coupling Regime: How They Differ from Cavity QED
本文分析电路QED中超强耦合下的光谱，发现与腔QED不同，系统与输出端口的耦合方式导致独特光谱特征。
2024-10-02 quant-ph
Ultrastrong Coupling of a Qubit with a Nonlinear Optical Resonator
研究了单模非线性电磁谐振腔与二能级原子的相互作用，考虑了耦合强度从零到所谓的深强耦合范围。当量子比特-谐振器耦合非常强时，谐振器的标准克尔模型变得可疑。此外，最近的研究表明，在物质系统的希尔伯特空间截断近似的情况下，构建规范无关理论时需要格外小心。这种截断会破坏规范不变性，导致非物理结果，特别是当光-物质相互作用强度非常高时。在这里，我们面对和解决这个问题，以提供一个一致的非线性谐振腔量子拉比模型满足规范原理。
2022-07-19 cond-mat.other quant-ph
Multiphoton Quantum Rabi Oscillations in Ultrastrong Cavity QED
当一个原子与一个腔体强耦合时，两个系统可以通过相干拉比振荡交换一个单光子。这一过程使得精确的量子态工程和操纵原子和光子在腔中，这在量子信息和测量中发挥着核心作用。最近，一个新的制度腔QED已达到实验中的强度之间的相互作用的光和人造原子（量子比特）变得可比的原子跃迁频率或腔模式的共振频率。在这里，我们表明，这种制度可以强烈修改真空拉比振荡的概念，使量子比特和谐振器之间的多光子交换。我们发现，实验状态的最先进的电路QED系统可以经历两个和三个光子真空拉比振荡。这些反常的拉比振荡可以用来实现高效的Fock态光源和量子比特的复杂纠缠态。
2015-09-21 quant-ph
Deterministic three-photon down-conversion by a passive ultrastrong cavity-QED system
在超强腔和深强腔量子电动力学（QED）系统中，会出现许多激发数不守恒的有趣现象。在这项研究中，我们从理论上分析了一个超强腔QED系统中，一个原子耦合到一个腔的基波和三次谐波模式的光学响应，并报告了确定性的三光子下转换的可能性巡回光子反射后在腔。在传统的参量下转换中，由于高阶过程的转移矩阵元素很小，需要一个强的输入场。然而，如果我们使用一个原子腔系统在一个前所未有的强耦合区域，即使是一个弱场的线性响应制度是足以导致这种罕见的事件，涉及四阶跃迁。
2021-09-06 quant-ph
Scalable quantum computer with superconducting circuits in the ultrastrong coupling regime
到目前为止，超导量子计算机对量子比特的连通性有一定的限制，比如最近邻耦合。为了克服这一限制，我们提出了一种可扩展的架构，通过分散耦合的量子总线同时连接几对遥远的量子位。总线的构建模块由正交共面波导谐振器组成，通过工作在超强耦合区的辅助通量量子比特连接。这种机制激活了虚拟过程，增强了有效的量子位-量子位相互作用，从而在纳秒时间尺度上产生了量子门。相互作用是可切换的，并且保持量子比特的相干性。
2020-08-06 quant-ph
Superfluid-Mott-insulator phase transition of light in a two-mode cavity array with ultrastrong coupling
本文构造了一种新型的腔阵列，在每个腔中，多个二能级原子与两个独立的光子模相互作用。该系统可以完全由双模Dicke晶格模型控制，该模型包括所有的反向旋转项，因此在最近的实验中实现的超强耦合机制中工作良好。由于特殊的原子-光子耦合机制，该模型支持全局守恒激发和连续的$U(1)$对称性，而不是标准Dicke晶格模型中的离散$Z_{2}$对称性.这种通过添加额外光子模式的对称性的明显变化强烈影响光子局域化/离域行为的性质。具体来说，原子-光子相互作用的特点是稳定的Mott波瓣结构的光子和二阶超流Mott绝缘体相变，这与Jaynes-Cummings晶格和玻色-哈伯德模型的相似之处。更有趣的是，这里预测的莫特叶结构关键取决于每个位点的原子数。我们还表明我们的模型可以映射到连续的$XX$自旋模型。最后，我们提出了一个在电路量子电动力学中实现腔阵列的方案。这项工作拓宽了我们对强相关光子的理解。
2017-01-18 quant-ph
Dynamical Casimir effect and state transfer in the ultrastrong coupling regime
动力学Casimir效应（DCE）表现在超强物质场耦合（USC）区域，是系统某些参数非绝热变化的结果。我们表明，DCE是一个基本的限制标准量子协议的基础上量子拉比振荡，这意味着需要新的计划来实现高保真超快量子门。我们的研究结果是通过一个典型的量子通信协议，即，量子态转移。
2019-06-02 cond-mat.mes-hall quant-ph
Beyond the Jaynes-Cummings model: circuit QED in the ultrastrong coupling regime
在腔量子电动力学（QED）中，光-物质相互作用是在最基本的水平上进行探索的，其中单个原子与存储在三维腔中的单光子耦合。随着电路QED的出现，这种通过实验探索量子物理基础的独特可能性得到了极大的发展，其中片上超导量子比特和振荡器分别扮演两级原子和腔的角色。在强耦合条件下，在相干性消失之前，原子和腔可以频繁地交换一个光子。这一重要的机制在腔QED和电路QED中都已经实现，但后者的设计灵活性和工程潜力允许将原子-腔耦合率与腔跃迁频率之间的比率提高到百分比水平以上。虽然这些实验是由著名的Jaynes-Cummings模型很好地描述的，但在超强耦合极限下，新的物理学被期待。在这里，我们报告的第一个实验实现的超导电路QED系统在超强耦合极限和Jaynes-Cummings模型的故障提出直接的证据。
2010-03-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Ultrastrong coupling of a single artificial atom to an electromagnetic continuum in the nonperturbative regime
光与物质相互作用的研究带来了许多基础性的发现和许多重要的技术。在过去的几十年里，在单光子水平上增加这种相互作用的强度方面取得了巨大的进步，导致了对新物理和应用的不断探索。最近，一项重大成就是证明了所谓的强耦合机制，这是使量子信息科学取得重大进展的关键进展。在这里，我们证明了光-物质相互作用的数量级比以前报道的强，达到非微扰制度的超强耦合（USC）。我们实现了这一点，使用超导人工原子可调谐耦合到电磁连续的一维波导。对于最大耦合，原子的自发发射率超过其跃迁频率。在这种USC制度下，原子和光作为不同实体的描述被打破，需要一种新的混合态描述。我们的研究结果为丰富的新物理学和应用打开了大门。除了光-物质相互作用本身，我们的系统的可调谐性使其成为研究许多重要物理系统的有前途的工具，如著名的自旋玻色子和近藤模型。
2017-04-13 cond-mat.supr-con quant-ph
Photon Blockade in the Ultrastrong Coupling Regime
我们探讨光子符合计数统计在超强耦合制度，原子-腔耦合率变得可比的腔共振频率。在这种情况下，通常的正常顺序关联函数不能描述输出光子统计。通过在腔-发射体修饰基中表达电场算符，我们能够提出适用于任意程度光-物质相互作用的关联函数。我们的研究结果表明，标准的光子封锁方案是显着修改的超强耦合。我们观察参数过程，即使是两个级别的发射器和时间振荡的强度关联函数在一个频率的超强光子发射耦合。这些效应可以追溯到存在的双光子级联衰变引起的反旋转相互作用项。
2012-10-08 quant-ph
Protected quantum computation with multiple resonators in ultrastrong coupling circuit QED
我们从理论上研究了由有限个约瑟夫森磁通鎓原子感应耦合到传输线谐振器的超强偶合电路-QED系统的两个基态所获得的量子比特的动力学行为。我们通过使用多个传输线谐振器（每个谐振器代表一个量子比特）来展示一组通用的量子门。我们讨论了磁通鎓人工原子噪声源的内在各向异性。通过主方程处理色噪声和多能级动力学，我们证明了，对于一般的各向异性噪声源，量子比特的相干时间和量子操作的保真度可以显着提高在一个最佳的制度的超强耦合，其中的基态是一个纠缠的光子“猫”态。
2011-08-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Two-Polariton Blockade via Ultrastrong Light-Matter Coupling
Hunan Normal University（湖南师范大学）；Hunan First Normal University（湖南第一师范学院）；RIKEN（理化学研究所）；Adam Mickiewicz University（亚当·密茨凯维奇大学）；University of Michigan（密歇根大学）；National University of Defense Technology（国防科技大学）
本研究在超强耦合 regime 中通过修改的二阶和三阶相关函数预测了双极子阻塞现象，为实现多粒子量子光源提供了新途径。
2026-01-26 quant-ph
Nonclassical Radiation from Thermal Cavities in the Ultrastrong Coupling Regime
热光源或混沌光源发射辐射，其特征在于以束发射光子的概率略微增强，由零延迟二阶关联函数$g^{(2)}(0) = 2$描述。在这里，我们探讨了光子符合计数统计的热腔在超强耦合制度，原子腔耦合率变得可比的腔共振频率。我们发现，根据系统温度和耦合率，热光子逃离腔可以显示非常不同的统计行为，其特征在于二阶关联函数接近零或大大超过2。
2013-04-03 quant-ph
Tunable Plasmonic Ultrastrong Coupling: Emulating Dicke Physics at Room Temperature
一个由N个二能级原子与光子场相互作用的系统可以描述为一个与光子场耦合的巨原子，其相互作用强度为~ N ^0.5。这种增强在量子光学中被称为Dicke协同性，最近已成为基于强光-物质耦合的量子信息技术中不可或缺的元素。在这里，我们扩展的耦合超出了标准的光物质相互作用的范例，模仿迪克合作在太赫兹元表面与N元原子。协同增强表现为物质-物质耦合的形式，通过在单个元原子中的局域表面等离子体共振和由于元原子的周期性阵列引起的表面晶格共振的杂交。通过改变阵列的晶格常数，我们观察到一个明确的反交叉行为，强耦合的签名。此外，通过在元原子中设计电容性分裂间隙，耦合率被协同地增强到N ^0.5倍的超强耦合区。这种室温技术可以作为一个方便的量子模拟器，模拟由单个玻色子场相干驱动的具有巨大偶极矩的量子比特的动力学。
2022-09-27 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Thermal emission in the ultrastrong coupling regime
研究了腔量子电动力学系统在原子-腔耦合率与腔共振频率相当的超强耦合区的热辐射。在这种情况下，光电探测和耗散的标准描述失败了。根据Ridolfo等人最近提出的方法，[arXiv：1206.0944]，我们能够计算具有任意强度的轻物质相互作用的系统的发射，通过在腔-发射器修饰基中表达电场算子。在这里，我们提出了热光致发光光谱，计算给定的温度和不同的耦合，特别是可用的电路QED参数。
2012-10-08 quant-ph
Laser under ultrastrong electromagnetic interaction with matter
在电磁场和物质之间的超强相互作用下，光通过辐射（激光）的受激发射放大的传统图像被打破，电场和磁场的不同动力学使“激光”与传统激光有质的不同，传统激光已经被简单地描述而没有区别。在超强区的“激光”可以表现出丰富多样的行为，并自发出现相干现象。我们发现，“激光”通常伴随着腔内外电磁场的奇次谐波和与原子布居振荡的同步。在两能级和单模近似下的一个简单模型中也证明了双稳态。
2015-05-18 physics.optics quant-ph
Holonomic quantum computation in the ultrastrong-coupling regime of circuit QED
我们提出了一个实验上可行的方案来实现光-物质相互作用的超强耦合区中的完整量子计算。量子Rabi模型的大的非谐性和Z2对称性使我们能够构建一个有效的三能级Λ结构人工原子用于量子计算。所提出的物理实现包括两个梯度通量量子比特和两个微波谐振器，其中单量子比特门通过在一个物理量子比特上的双音驱动来实现，并且两个谐振器的场求积之间的时间依赖性耦合来实现双量子比特门。我们的工作为在超强耦合系统中进行可扩展的完整量子计算铺平了道路。
2016-07-19 cond-mat.supr-con quant-ph
Superconducting qubit-oscillator circuit beyond the ultrastrong-coupling regime
原子与腔内电磁场的相互作用在我们理解光-物质相互作用的历史发展中起着至关重要的作用，并且是各种量子技术的核心部分，例如激光和许多量子计算架构。超导量子比特的出现使得人造原子和腔之间的强耦合和超强耦合得以实现。如果耦合强度$g$变得与原子和腔频率（分别为$Δ$和$ω_{\rm o}$）一样大，则预测包括基态的能量本征态是高度纠缠的。这种质的新机制可以被称为深强耦合机制，并且一直在争论是否从根本上有可能在现实的物理系统中实现这种机制。通过约瑟夫森结将磁通量子比特与LC振荡器电感耦合，我们实现了$g/ω_{\rm o}$为0.72 ~ 1.34和$g/Δ\gg 1$的电路。使用光谱测量，我们已经观察到非常规的过渡光谱，类似于化妆舞会面具的模式，这是这个新政权的特点。我们的结果为基于基态的纠缠对的产生提供了基础，并为强关联光物质态的电路量子电动力学研究开辟了新的方向。
2017-01-31 cond-mat.supr-con quant-ph
Near-Perfect Single-Photon Source via Ultrastrong Coupling
Hunan Normal University（湖南师范大学）
提出基于Δ型三能级原子与单模腔耦合的方案，在强和超强耦合下实现高纯度、高不可区分性的确定性单光子发射，性能接近理想。
2026-07-02 quant-ph
Emission spectral non-Markovianity in qubit-cavity systems in the ultrastrong coupling regime
本文针对超强耦合、非马尔可夫区域的耗散 Rabi 与 Jaynes-Cummings 模型，提出 PTNZE 计算发射光谱，并揭示反旋项、耦合强度和初始条件导致的不对称特征。
2023-04-05 quant-ph
Revealing higher-order light and matter energy exchanges using quantum trajectories in ultrastrong coupling
开放量子系统的动力学通常使用主方程来建模，主方程描述实验的预期结果（即，相同动态的许多实现的平均值）。相反，量子轨迹模拟了理想的单一实验的结果--完美探测器的"点击“，例如，自发发射。量子跳跃是与随机事件相关的，它表征了开放量子系统波函数的突然变化，正确描述量子跳跃是定义量子轨迹的关键。在这篇文章中，我们通过适当地定义跃迁算符，将量子轨道的形式主义推广到光与物质之间具有超强耦合（USC）的开放量子系统。在这样的系统中，奇异的高阶量子态和能量转移可以在不保持系统中激发总数的情况下发生。这种USC系统的发射场具有这些高阶过程的签名，并且在较低的耦合强度下与类似过程显著不同。值得注意的是，发射统计必须在单个量子轨道水平上进行，因为这些过程的特征被主方程的“平均”所洗掉。我们分析了所选择的解开的影响（即，如何收集系统的输出场）的量子轨迹，并表明这些影响的高阶USC过程可以揭示在实验中通过构建直方图检测到的量子跳跃。我们通过分析单个光子对两个原子的激发来说明这些想法~[Garziano等人，117，043601（2016）]。例如，量子轨迹显示，跟踪原子的量子跳跃可以重建一个光子和两个原子之间的振荡，以及两个原子之间出现的拉比振荡。
2021-07-19 quant-ph
Simulating ultrastrong-coupling processes breaking parity conservation in Jaynes-Cummings systems
提出了利用强耦合系统对光-物质超强耦合现象进行有效模拟的方法。最近的理论和实验表明，量子拉比哈密顿量可以模拟一个Jaynes-Cummings系统与两个经典驱动器。这允许实现不保存激励总数的非线性过程。然而，宇称仍然是量子拉比哈密顿量中的一个守恒量，这禁止了一系列涉及虚跃迁的过程打破这一守恒。在这里，我们表明，这些宇称非守恒过程可以模拟，这可以在一个更简单的设置：一个Jaynes-Cummings型系统与一个单一的经典驱动器。通过将范式从模拟特定的模型转移到模拟特定的过程，我们能够实现比以前的模拟方法更广泛的非线性相干协议族，并且使用更少的资源和约束。我们集中我们的分析在三个特定的例子：一个原子激发两个光子，频率转换，和一个单光子激发两个原子。
2020-04-21 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph quant-ph
Fast binomial-code holonomic quantum computation with ultrastrong light-matter coupling
提出了一种在人工原子与腔体共振器超强耦合系统中进行玻色二项式码非绝热完整量子计算的方案。在我们的协议中，由Fock态叠加形成的二项式码可以大大节省物理资源来纠正量子计算中的错误。我们应用到系统的强驱动场设计的捷径绝热方法。这将门控时间减少到几十纳秒。通过这种快速的演化，可以有效地减少系统随时间积累的退相干。控制不完善引起的噪声可以通过系统误差灵敏度抵消方法来抑制，因此该协议对此类噪声几乎不敏感。因此，该协议可以快速（$\sim 35$ ns）生成容错和高保真（$\gtrsim 98\%$与实验现实的参数）量子门。
2021-08-31 quant-ph
System-environment coupling derived by Maxwell's boundary conditions from weak to ultrastrong light-matter coupling regime
在标准的腔量子电动力学（QED）理论中，腔（腔系统和光子库）内外光子之间的耦合是光子总数守恒的。然而，当腔光子与物质中的原子或激发态发生（超）强相互作用时，系统-库耦合必须从更基本的观点来确定。基于介电介质QED理论中的Maxwell边界条件，导出了腔内极化激元（非光子）和腔外光子总数守恒的量子Langevin方程和输入输出关系。
2013-04-08 physics.optics quant-ph
Generalized squeezing rotating-wave approximation to the isotropic and anisotropic Rabi model in the ultrastrong-coupling regime
利用位移变换和压缩变换，提出了广义压缩行波近似。一个可解的哈密顿量被重新制定在相同的形式作为普通RWA的。在量子比特与振子耦合实验中，用位移压缩振子态代替原来的位移态，得到了一个定义良好的类薛定谔猫纠缠态。对于各向同性Rabi情形，平均光子数和基态能量用附加压缩项解析地表示，表现出GSRWA的实质性改进。各向异性Rabi模型的基态能量也证实了GSRWA的有效性。由于压缩效应的存在，GSRWA改进了以往的方法，即使在大的原子频率下，也可以在很宽的耦合强度范围内只进行位移变换。
2016-12-13 quant-ph
Quantum Metrology in the Ultrastrong Coupling Regime of Light-Matter Interactions: Leveraging Virtual Excitations without Extracting Them
本研究利用超强耦合系统中的虚激发及其关联，通过Dicke模型和频移方法实现量子计量增强，使估计精度按exp(4ξ)缩放，超越标准量子极限，为高精度测量提供通用框架。
2025-09-10 quant-ph
Ultrastrong coupling phenomena beyond the Dicke model
研究了由单个$LC$谐振腔和多个超导量子比特对称耦合组成的电路QED系统中的光-物质有效相互作用。从最小电路模型开始，我们证明，除了通常的集体量子位-光子耦合之外，所得的汉密尔顿算子还包含直接的量子位-量子位相互作用，这对超强耦合机制中此类电路的基态和激发态性质具有剧烈影响。与标准Dicke模型所预期的超辐射相变相反，我们发现了一种相反的机制，即在非常强的相互作用强相互作用下，光子模式完全纠缠，并将量子比特投射到高度纠缠的基态。这些发现解决了先前关于电路QED中超辐射相存在的争议，但它们更普遍地表明，两个或多个原子腔QED设置的物理可能与通常假设的有很大不同。
2016-09-07 cond-mat.supr-con quant-ph
Near-ultrastrong nonlinear light-matter coupling in superconducting circuits
本研究利用含 quarton 耦合器的超导电路架构，首次实验实现了近超强非线性光-物质耦合，并创下相干量子比特间最大 ZZ 相互作用记录，有望大幅加速量子比特读取与门操作。
2024-05-02 quant-ph
Ultrastrong light-matter interaction in a multimode photonic crystal
本文通过将fluxonium量子比特与微波谐振器晶格电耦合，在光子晶体多模体系中实现超强光-物质耦合，使单光子输运成为多体问题，并利用多光子束缚态产生强关联光子库，为单光子非线性量子光学和纠缠多体相研究开辟新途径。
2024-02-21 cond-mat.quant-gas quant-ph
Scalable quantum memory in the ultrastrong coupling regime
电路量子电动力学，由超导人造原子耦合到片上谐振器，是一个主要的候选人，以实现可扩展的量子计算架构，因为存在良好的可调谐性和可控性。此外，最近的进展已经将该技术推向了光-物质相互作用的超强耦合机制，其中量子位-谐振器耦合强度达到了谐振器频率的相当大的一部分。在这里，我们提出了一个量子位谐振器系统在该制度下，作为一个量子存储设备和研究的存储和检索的量子信息和从Z2奇偶校验保护的量子存储器，在实验可行的方案。我们也相信，我们的建议可能铺平了道路，实现一个可扩展的量子随机存取存储器，由于其快速的存储和读出性能。
2015-03-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con quant-ph
Resolution of Gauge Ambiguities in Ultrastrong-Coupling Cavity QED
规范不变性是现代量子场论的基石。最近的研究表明，描述二能级原子与量子化电磁场偶极耦合的量子拉比模型违反了这一原理。这个广泛使用的模型描述了大量的量子系统和不同相互作用机制下的物理过程。在超强耦合制度，它提供的预测，极大地依赖于所选择的规范。这一失败归因于物质系统的有限级截断。我们表明，一个仔细的应用程序的规范原理是能够恢复规范不变性，即使是极端的光物质相互作用制度。在库仑规范中得到的量子拉比哈密顿量与标准模型有很大的不同，并且提供了与使用偶极规范得到的相同的物理结果。它包含场算子的所有订单时，不能忽略耦合强度高。这些结果揭示了非微扰和极端相互作用制度中规范不变性的微妙之处，这些制度现在可以通过实验获得，并解决了量子拉比和迪克模型中规范模糊性引起的所有长期争议。
2018-12-05 quant-ph
Spontaneous emission of Schrödinger cats in a waveguide at ultrastrong coupling
约瑟夫森电路提供了一个现实的物理设置，其中光物质精细结构常数可以成为一阶，允许达到由非微扰效应超过标准量子光学占主导地位的制度。简单的过程，如自发发射，因此获得了多体特征，可以使用量子叠加相干态的时间相关态矢量的新描述来解决。我们发现，自发原子衰变在超强耦合导致光谱宽薛定谔猫，而不是单色单光子的排放。这些猫状态保持部分纠缠与发射器在中间阶段的动态，即使在发射后，由于一个大的分离的时间尺度之间的快速能量弛豫和指数缓慢的退相干。一旦量子比特的退相干最终建立，量子信息就完全转移到发射的猫的状态。
2017-02-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.str-el quant-ph
Unveiling and veiling a Schrödinger cat state from the vacuum
在超强光-物质耦合体系中，人们预言二能级原子与腔模相互作用的基态将在光与物质之间形成“虚”薛定谔猫纠缠态。我们提出了一种方法，通过用最佳选择的脉冲驱动原子，将薛定谔猫态从虚态转换为实态，然后再转换回来。我们的系统由一个四能级原子组成，其中两个能级与腔模超强耦合。我们证明了薛定谔猫态可以通过理想超快脉冲或多频π脉冲在虚实之间转换。除了允许我们观察这些不寻常的虚态之外，这种方法还可以用来生成量子信息处理所需的纠缠猫态。
2021-10-06 quant-ph
Cutting Feynman Loops in Ultrastrong Cavity QED: Stimulated Emission and Reabsorption of Virtual Particles Dressing a Physical Excitation
在量子场论中，裸露的粒子被一团虚粒子装扮成物理粒子。虚粒子影响物理粒子的质量和电荷等性质，只有这些修改后的性质才能在实验中测量，而不是裸粒子的性质。虚粒子的影响在腔量子电动力学（QED）的超强耦合机制中是突出的，这是最近在几个凝聚态系统中实现的。在某些系统中，类原子跃迁和腔光子之间的有效相互作用可以通过外部控制脉冲来打开或关闭。这为探索量子真空涨落以及物理和裸粒子之间的关系提供了前所未有的可能性。在这里，我们表明，通过施加适当的振幅和频率的外部电磁脉冲，每个虚光子敷料的物理激发腔QED系统可以转换成一个物理可观察的光子，并再次回来。通过这种方式，裸激励和物理激励之间的隐藏关系变得可以通过实验来检验。虚光子和物理光子之间的转换可以用费曼图和切环清晰地描绘出来。
2016-03-16 quant-ph
Giant counter-rotating oscillations on the attosecond timescale
本文预测原子与强紫外光之间的新型超强耦合可在阿秒时间尺度上产生巨幅反向旋转振荡，该效应非互易且仅影响激发态，并提议用氦的双光子拉比振荡实现，通过Floquet理论和有效哈密顿理论验证。
2025-03-31 quant-ph
Multimode Ultrastrong Coupling in Three-Dimensional Photonic-Crystal Cavities
本研究在太赫兹频率下的三维光子晶体腔中实现了多模超强耦合，发现腔模空间分布显著影响耦合行为，实验结果与多模扩展Hopfield模型高度一致，揭示了空间非均匀腔模分布对探测超强耦合区量子现象的重要性。
2024-07-08 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Cavity QED Beyond Rotating Wave Approximation: Photon Bunching from the Emission of Individual Qubits
单量子发射体散射光中的光子反聚束是量子光学的标志之一，它为电磁场的量子化性质提供了明确的证明。反聚束现象可以直观地理解为，在第二次发射之前，需要一个处于较低状态的二能级系统在发射光子后被重新激发到较高状态。在这里，我们表明，这样的图片打破了在超强的光-物质耦合制度，当耦合强度变得可比的裸发射频率。专门的情况下，自然和超导人造原子，我们因此表明，一个单一的发射器耦合到光子谐振器可以发出聚束光。本文给出的结果清楚地证明了超强耦合机制是如何改变单个原子的性质的。
2017-02-02 quant-ph
Gauge invariance of the Dicke and Hopfield models
描述N个二能级原子和量子化电磁场之间偶极耦合的迪克模型，在存在超强光-物质耦合的情况下似乎违反了规范不变性，这种情况现在在许多物理系统中可以通过实验获得。具体来说，它已被证明，而两个级别的近似可以很好地工作在偶极规范，库仑规范无法提供正确的光谱在超强耦合制度。在这里，我们表明，考虑到非局域性的原子势诱导的两个能级近似，规范不变性是完全恢复的任意相互作用强度，即使在N的极限走向无穷大。最后，我们表示的Hopfield模型，一般描述的基础上量化的线性电介质，在一个明显的规范不变的形式，并表明，迪克模型在稀制度可以被视为一个特殊的情况下，更一般的Hopfield模型。
2020-02-11 quant-ph
Tunable coupling between a superconducting resonator and an artificial atom
量子系统的相干操纵是当前物理学研究的重要课题之一。在本工作中，我们设计了一个电路QED系统，在保持腔频率和原子频率不变的情况下，在人造原子和超导谐振腔之间实现了可调谐耦合。通过控制外磁通量的时间依赖性，我们表明，它是可能的，从极弱耦合制度的超强耦合的相互作用。利用量子微扰理论，我们得到了耦合强度与外磁通量的关系。为了证明它在量子模拟和量子计算领域的可靠性，我们研究了它对噪声的敏感性。
2018-06-06 quant-ph
On recombination in strong laser fields: effect of a slow drift
采用数值模拟的方法研究了一维模型下超强原子场中的复合动力学。研究了束缚态最终布居数随激光场振幅的非单调变化。观察到电子波包的慢漂移的重要作用。
2005-06-27 quant-ph
Quantum Electrodynamical Metamaterials
最近的实验已经揭示了光和物质之间的超强耦合是一种有前途的改变材料性质的途径，如电输运，化学反应速率，甚至超导性。在这里，我们探讨（超）强耦合作为一种手段操纵光学响应的超材料的基础上合奏的组成单位单独在超强耦合制度。我们发展了一个基于线性响应的量子电动力学系统的框架来研究光-物质耦合对光学响应的影响。我们首先应用这个框架来找到耦合到单腔模式的两能级发射器的光学响应，这可以被看作是从这个系统的重复单元构建的超材料的“元原子”。我们发现光学行为范围从一个简单的两能级系统（洛伦兹振荡器），有效地透明，从弱耦合到深强耦合制度。我们探讨了这些元原子的一维链，展示了其光学行为的可调谐性。我们的方案可能最终提供一个框架，用于设计新的超材料，具有低损耗，高限制模式，以及可调（单光子）非线性。
2022-09-06 physics.optics quant-ph
Efficient tensor-network simulation for the few-atom multimode Dicke model via coupling-matrix transformation
提出基于耦合矩阵变换的链映射推广方法，将多模Dicke模型的星型耦合转为链式带Hamiltonian，实现了超强耦合区双原子多模系统的高效张量网络模拟。
2023-10-21 quant-ph
Quantum Nonlinear Optics without Photons
自发参量下转换是量子非线性光学中的公知过程，其中入射到非线性晶体上的光子自发地分裂成两个光子。在这里，我们提出了一个类似的物理过程，其中一个激发原子直接将其激发转移到一对空间分离的原子，概率接近1。这种相互作用是通过虚光子而不是实光子的交换来介导的。这种非线性的原子过程是相干的和可逆的，因此这对被激发的原子可以将激发传递回第一个原子：和频产生光的原子模拟物。用于研究这一过程的参数对应于超强电路量子电动力学的实验证明值。这种方法可以扩展到实现其他非线性原子间过程，如四原子混合，是一个有吸引力的架构，实现量子器件的芯片。我们表明，四量子比特混合可以有效地实现量子重复码，因此，可以用于纠错码。
2017-08-24 quant-ph
Coherent Resonant Coupling between Atoms and a Mechanical Oscillator Mediated by Cavity-Vacuum Fluctuations
我们表明，一个原子可以耦合到一个机械振子通过量子真空涨落的腔场，使它们之间的能量转移过程。在一个由一个带有可移动反射镜的腔谐振器和一个原子组成的混合量子系统中，这些过程由两种对产生机制控制：反向旋转（原子-腔系统）和动态Casimir相互作用项（光机系统）。由于这两个对创建机制，共振原子镜耦合是高阶虚拟过程的结果，不同的过渡路径在我们的理论框架中得到很好的描述。我们对原子镜系统的哈密顿量进行了幺正变换，得到了两种原子对产生的多级跃迁。通过调节原子的频率，我们证明了在多模腔中可以实现光子频率转换。此外，当涉及耦合到相同机械模式的两个原子时，机械振荡器的单个振动激发可以同时被两个原子吸收。考虑到最近的进展，在强和超强耦合的腔光学机械和其他系统，我们相信我们的建议可以实现使用现有的技术。
2023-02-03 quant-ph
Deterministic quantum nonlinear optics with single atoms and virtual photons
我们展示了如何模拟大量的众所周知的非线性光学现象可以实现一个或多个两级原子耦合到一个或多个谐振腔模式。通过高阶过程，其中虚光子被创建和湮灭，可以在这样的系统的两个状态之间创建有效的确定性耦合。这样，三波混频、四波混频、高次谐波和次谐波产生（即，上变频和下变频）、多光子吸收、参量放大、拉曼和超拉曼散射、克尔效应和其它非线性过程。所需的中间过渡步骤越多，有效耦合就越弱。然而，考虑到最近在超强光-物质耦合方面的实验进展，特别是在电路量子电动力学领域，我们估计这些非线性光学类似物中的许多可以用现有技术实现。
2017-01-18 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
