Radiating dipoles in photonic crystals
在光子晶体中嵌入偶极天线的辐射动力学模型中，初始激发的谐振子耦合到表示晶体内有色电磁真空的谐振子的非马尔可夫浴。基于光子晶体的固有模式的实际耦合常数，即，导出了布洛赫波及其色散关系。对于简单的模型系统，众所周知的结果，如衰变时间和发射光谱再现。这种方法可以直接将实际的能带结构计算纳入到光子晶体内原子和分子的辐射发射研究中。因此，我们提供了一个预测和解释性的工具，在微波和光学制度的实验。
2000-06-02 cond-mat physics.class-ph physics.optics
Theory of dipole radiation near a Dirac photonic crystal
我们发展了一种解析形式来描述二维光子晶体平板的狄拉克锥附近的偶极辐射。在早期的工作相比，我们占所有的偏振效应，并推导出一个封闭形式的表达并矢格林函数的几何形状。使用这种解析格林函数，我们证明了由平板介导的偶极相互作用表现出缠绕相，这是量子发射器的工程拓扑系统的关键成分，如J. Perczel等人，（2018），arXiv：1810.12299.作为一个例子，我们研究了由狄拉克锥介导的相干原子相互作用，这是最近被证明是不寻常的长程无指数衰减。这些结果为进一步严格分析发射体通过光子狄拉克锥在光子晶体中的相互作用铺平了道路。
2018-11-05 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Optical properties of an atomic ensemble coupled to a band edge of a photonic crystal waveguide
研究了耦合到一维光子晶体波导中的二能级原子系综的光学性质。我们发现，长程相互作用可以显着改变的线性和非线性光学行为相比，一个典型的原子系综。特别是，在线性政权，我们发现，透射谱揭示了多个传输骤降，其属性，我们展示了如何表征。在多光子状态下，系统响应可以是高度非线性的，并且在某些情况下，系综可以表现得像单个两能级系统，其一次只能吸收和发射单个激发。我们的研究结果是直接相关的原子PCW实验，应该很快就可以实现。
2016-04-13 quant-ph
Topological order in an exactly solvable 3D spin model
我们研究了三维推广的复曲面代码模型介绍了最近的夏蒙。这是一个精确可解的自旋模型，在FCC晶格上具有六个量子比特的最近邻相互作用，其基空间具有拓扑量子序。我们称之为单极子的这个模型的基本激发可以在几何上描述为矩形膜的角。我们证明了，要创建一个与其他磁单极子相隔距离R的孤立磁单极子，需要一个作用于至少R^2个量子比特的算符。由两个单极子（偶极子）和四个单极子（四极子）组成的复合粒子可以被描述为弦的端点。该模型的特点是偶极型弦是刚性的，也就是说，这种弦必须与晶格的面对角线对齐。对于周期性边界条件，基空间可以编码4g个量子比特，其中g是晶格维度的最大公约数。我们描述了一套完整的逻辑运算符作用于编码的量子位在封闭的字符串和封闭的膜。
2010-06-24 quant-ph
Multipole interaction between atoms and their photonic environment
宏观场量子化的非色散光子介质环境中，无论是在存在和不存在的客体原子。从最小耦合拉格朗日量开始，仔细研究函数导数，展示了如何在选择合适的规范之前和之后获得麦克斯韦方程组。推导出了考虑客体原子与电磁场多极相互作用时的哈密顿量。正则变量和字段的确定，特别是正则共轭的矢量势的字段被确定为减去全位移场的功能微分。一个重要的结果是，在电介质内部，偶极耦合到既不是（横向）电场也不是宏观位移场的场。介电函数不同于偶极子位置处的体介电函数，因此必须考虑局部场效应。
2003-07-04 quant-ph
Polarization dependent spontaneous-emission rate of single quantum dots in photonic crystal membranes
测量了二维光子晶体膜中自组装单量子点的自发发射率随偏振态的变化。我们观察到的两个明亮的激子状态的衰变率之间的最大各向异性因子为6。这种大的各向异性归因于光子晶体中不同取向的偶极子的光学态的基本上不同的投影局部密度。
2009-12-22 quant-ph
Topological transitions induced by cavity-mediated interactions in photonic valley-Hall metasurfaces
光的拓扑相位表现出超越传统光子学领域的独特性质。特别地，谷-霍尔拓扑绝缘体已经在各种光子结构中实现，因为它可以通过打破某些晶格对称性而容易地诱导。然而，谷陈数通常是固定的设计和相应的拓扑边缘状态被迫在一个固定的方向上传播。在这里，我们提出了一种机制，诱导拓扑结构的转变，通过意外的狄拉克点在元表面组成的相互作用的偶极发射器/天线。对于一个固定的安排偶极子，我们表明，拓扑相位严重依赖于周围的电磁环境介导的偶极-偶极相互作用。为了访问不同的拓扑相位，我们将超表面嵌入腔波导内，其中可以通过减小腔宽度将主导偶极耦合从短程库仑相互作用调谐到长程光子介导的相互作用;这导致拓扑转变，其特征在于valley-Chern数的反转。因此，我们表明，可以切换的手征性的拓扑边缘状态，通过修改只有电磁环境中的偶极子被嵌入。这种机制可能对其他拓扑相，如光子高阶拓扑绝缘体有重要的影响。
2020-10-04 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Collective generation of quantum states of light by entangled atoms
我们提出了一个理论框架来描述原子纠缠态的集体发光。我们的理论适用于低激发制度，其中大多数原子最初处于基态，并依赖于原子激发的玻色子描述。这样，原子系综的光发射问题，包括偶极-偶极相互作用和多重光散射问题，就可以得到精确的解决。给出了原子在规则晶格和原子蒸气中的光子态的显式表达式。我们确定的光子束的方向性，光子态的纯度，和发射率的重整化。我们还展示了如何观察光晶格中超冷原子的集体现象，以及如何使用这些想法来产生在量子信息中有用的光子态。
2008-08-20 quant-ph
Dipole Blockade and Quantum Information Processing in Mesoscopic Atomic Ensembles
我们描述了一种操纵存储在介观系综集体态中的量子信息的技术。量子处理是通过光激发到具有强偶极-偶极相互作用的状态来完成的。由此产生的“偶极阻断”可以用来抑制跃迁到除了单激发集体状态之外的所有状态。这可以用于集体原子自旋态以及非经典光子态的受控生成，以及用于可扩展的量子逻辑门。一个例子涉及冷里德伯气体进行了分析。
2000-11-07 quant-ph
Photon routing in disordered chiral waveguide QED ladders: Interplay between photonic localization and collective atomic effects
Macklin Quantum Information Sciences, Department of Physics, Miami University（迈阿密大学物理系麦克林量子信息科学）
本文研究了无序手性波导量子电动力学阶梯中单光子路由的鲁棒性，发现集体原子效应在面对无序和自发辐射损失时具有显著优势。
2024-06-29 quant-ph
Efficient atomic quantum memory for photonic qubits in cavity QED
研究了一种在腔QED中存储偏振态光子量子比特的原子量子存储方案。观察到单光子脉冲与$ Λ$型原子之间的量子态交换可以通过光腔中的散射实现[T. W. Chen C.，马缨丹属K.劳，P.T. Leung，Phys.Rev.A { \bf 69}（2004）063810]。对于偶极耦合相等的$ Λ$型原子，这种交换在强耦合区的作用是有限的。我们将这个方案推广到腔QED中，提出了一种更可行、更有效的结合投影测量的量子存储方法。这种方法不需要偶极耦合的条件。的保真度是显着高于交换，即使在适度的耦合制度，它达到几乎统一的充分缩小的光子脉冲谱。这种高性能不受原子损失、腔泄漏或失谐的影响，而在投影测量的成功概率上付出了代价。
2007-03-16 quant-ph
Two-mode and dual-resonant planar photonic waveguides for efficient guiding and trapping of atoms
本研究针对超冷原子囚禁需求，提出基于悬浮光学肋形波导的双色双模倏逝光方案，通过高低频光分别以双模、单模传输并调谐至不同原子跃迁，提升偶极势深度，应用于铷原子时阱深可达0.3 mK以上。
2025-07-31 physics.app-ph physics.atom-ph quant-ph
Nanophotonic control of circular dipole emission: toward a scalable solid-state to flying-qubits interface
利用纳米结构控制单量子发射体的光子发射对于可扩展的片上量子信息处理至关重要。如今，纳米谐振器可以影响发射器的寿命，并最终在发射器和光场之间引起强耦合，而纳米天线可以控制发射的方向性。将这种控制扩展到操纵轨道角动量变化跃迁的发射，将使长寿命固态量子比特和飞行量子比特之间的耦合成为可能。由于这些过渡与圆形，而不是线性偶极子，这样的控制需要详细的知识的空间依赖的相互作用的复杂偶极子与高度结构化的光学本征态包含本地螺旋。使用一个经典的模拟，我们在实验上映射的圆偶极子的光子模式的模型结构，一个光子晶体波导。我们表明，根据当地的螺旋偶极子可以耦合到模式传播到左边或右边。这些地图与计算结果非常吻合。因此，我们的测量结果表明，自旋光子耦合的途径与近单位（0.8 $\pm$ 0.1）的效率。
2014-11-25 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
An exactly solvable model of two three-dimensional harmonic oscillators interacting with the quantum electromagnetic field: the Casimir-Polder potential
在库仑规范和偶极近似下，考虑了两个三维各向同性谐振子与量子电磁场的相互作用。使用Bogoliubov变换，我们可以得到变换后的算子，使得系统的哈密顿量在用这些算子表示时呈现对角形式。我们也能够得到一个表达式的基态，这是有效的，在所有的顺序在耦合常数的能量转移。从这个能量移动可以得到两个振子之间的非微扰Casimir-Polder势能。当近似到电荷的四阶时，恢复了Casimir-Polder势与振子极化率的关系。
2005-08-03 quant-ph
Efficient Guiding of Cold Atoms though a Photonic Band Gap Fiber
我们展示了第一次引导冷原子通过一个88毫米长的光子带隙光纤。导势是由在12 μ m空芯光纤内传播的远场共振偶极阱产生的。我们从暗斑85-Rb磁光阱加载光纤，并在1.5 m/s的速度下观察到超过10^5原子/s的峰值通量。与一个额外的水库光学偶极陷阱，一个恒定的原子通量为1.5 - 10^4原子/秒持续超过150\，ms。这些结果开辟了有趣的可能性，研究非线性光-物质相互作用在一个近一维的几何形状，并铺平了道路，引导物质波干涉。
2010-10-01 physics.atom-ph quant-ph
Interaction of atomic systems with quantum vacuum beyond electric dipole approximation
光子环境可以显著影响原子系统的发射特性和相互作用。在这种情况下，通常假设电偶极子近似是合理的，只要原子系统的空间范围与场的空间变化相比可以忽略不计。虽然这适用于许多典型的系统，但它不再适用于更现代的纳米光子结构。为了超越电偶极近似，我们提出并发展了一个分析框架来描述光子环境对电偶极近似之外的原子系统的发射和相互作用性质的影响。特别是，我们保留明确的磁偶极和电四极贡献的光物质相互作用。我们利用场量子化方案的基础上，电磁格林张量，适用于色散材料。我们得到了自发发射率、兰姆位移、多极-多极位移和超辐射率的表达式，并对色散环境进行了修正。所考虑的影响可能是实质性的适当定制的纳米结构的光子环境，示范证明。
2019-11-18 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Enhanced resonant force between two entangled identical atoms in a photonic crystal
我们考虑了光子晶体中两个处于激发态和基态的原子之间的共振相互作用能和力。假设具有相同偶极矩取向的原子处于对称态，并与量子电磁场相互作用。我们考虑了光子晶体的两种具体模型：一维模型和各向同性模型。我们表明，在这两种情况下，共振原子间力可以强烈增强的光子晶体的存在下，作为修改后的色散关系和态密度的结果，特别是如果原子的跃迁频率是接近光子带隙的边缘。详细讨论了光子晶体的两种模型之间的差异，以及与量子半导体线中的两个杂质原子的类似系统的比较。在现实情况下的效果的数值估计进行了讨论。
2014-06-29 quant-ph
Anisotropic quantum emitter interactions in two-dimensional photonic-crystal baths
当量子发射体与二维光子晶体池相互作用时，当它们被光谱调谐到二维Van-Hove奇点时，它们经历强的和各向异性的集体耗散。在这项工作中，我们展示了如何把这种耗散成相干偶极-偶极相互作用的可调范围内打破晶格简并在范霍夫点与超晶格几何。使用耦合模描述，我们表明，这些相互作用的起源源于量子比特光子束缚态的出现，继承了原始耗散的各向异性特性，其空间衰减可以通过超晶格参数或相对于带边的光跃迁的失谐来调谐。在这张照片中，我们还计算了发射器诱导的动力学在一个确切的方式，边界的参数制度，其中的动态位于马尔可夫描述。作为一个应用，我们开发了一个四量子比特纠缠协议，利用相互作用的形状。最后，我们提供了一个光子晶体的原理证明的例子，在这种相互作用可以获得。
2018-10-18 cond-mat.quant-gas quant-ph
Strongly interacting photons in hollow-core waveguides
填充冷原子的空芯光子晶体波导可以通过严格限制光在横向上的非色散传播来支持巨大的光学非线性。在这里，我们探讨电磁感应透明是这样的结构，考虑一对对反向传播的弱量子场在介质中的相干驱动原子的阶梯配置。强偶极-偶极相互作用之间的光激发，极化里德伯态的原子转化为一个大的色散相互作用之间的两个领域。这可以用于获得两个单光子脉冲的π的空间均匀条件相移，实现确定性光子相位门，或者通过相干探针实现信号脉冲中光子数的量子非破坏测量，从而实现单个或少量光子脉冲的预示源。
2010-12-16 quant-ph
Creation of Entanglement and Implementation of Quantum Logic Gate Operations Using a Three-Dimensional Photonic Crystal Single-Mode Cavity
在偶极近似和行波近似下，求解了具有足够高品质因子的三维光子晶体单模腔的含时耦合Jaynes-Cummings哈密顿量.然后，我们利用这些结果来展示如何创建两个原子的最大纠缠态，以及如何实现几个量子逻辑门：双轨Hadamard门，双轨NOT门和SWAP门。所有这些操作中的原子都是同步的，这在PC中的先前研究中不是这样[1，2]。我们的方法有可能扩展到N原子纠缠，通用的量子逻辑操作，和其他有用的，腔QED的量子信息处理任务的实施。
2006-03-11 quant-ph
Energy transfer between localized emitters in photonic cavities from first principles
本文提出一种超越偶极近似的第一性原理方法，定量预测光子腔中缺陷间能量转移，可增强或抑制特定跃迁，适用于量子信息器件。
2025-09-03 cond-mat.mtrl-sci physics.optics quant-ph
Collective super- and subradiant dynamics between distant optical quantum emitters
光子发射是光与物质相互作用的标志，也是光子量子科学的基础，为量子通信和计算提供了先进的光源。虽然单发射器辐射可以根据光子环境进行调整，但多发射器的引入扩展了这一图景。然而，一个根本的挑战是，辐射偶极-偶极耦合随着空间分离而快速衰减，通常在光波长的一小部分内。我们实现了远距离偶极-偶极辐射耦合与嵌入在纳米光子波导的固态光量子发射器对。我们动态地探测集体响应，并确定超辐射和次辐射发射以及通过适当的激发技术来控制动力学的手段。我们的工作构成了可扩展的量子信息处理的多发射器应用的基础一步。
2023-01-29 physics.optics quant-ph
Qualitative aspects of the entanglement in the three-level model with photonic crystals
本文探讨了在三能级系统中，当存在光子晶体时，在复合态中的量子纠缠问题可以用并发和相熵方法来解决。提出了一种适用于任意三能级系统的光子带隙解析方法。利用这个解析解，我们最终计算了纠缠度和相熵，特别关注纠缠现象。具体来说，我们使用并发作为一个衡量的纠缠位于两个半无限的一维周期性光子晶体，平面腔激光器结构的情况下，在薄板区域的偶极发射器。这里考虑的制度的一个特点是，封闭形式的时间演化的评估可以进行失谐和光子带隙的存在下，这提供了洞察原子场耦合，模式频率和不同的腔参数的并发函数的性质的差异。我们演示了如何波动的相位和数量熵的存在下的光子带隙的影响。结果示出了数值模拟应用到GaAs。最后，我们将所得到的结果与任何三能级系统的纠缠成本可以计算的实例。潜在的固态系统中的实验观察进行了讨论，发现是有前途的。
2005-06-27 quant-ph
An asymptotic field approach for the control of dipole emission in integrated structures
Università di Pavia（帕维亚大学）
本文提出了一种基于渐近场方法的框架，用于在集成结构中精确控制偶极子发射，通过高效计算发射率并设计可调单光子源。
2026-01-14 quant-ph
Probing the Dynamical Behaviour of Surface Dipoles Through Energy Absorption Interferometry
基于总吸收功率测量的空间干涉测量法可用于确定任何能量吸收结构敏感的电磁场的相干状态。测量的相干张量可以对角化，以给出结构可以吸收能量的各个电磁模式的振幅、相位、偏振模式和响应度。由于电磁模式与系统的动力学模式密切相关，因此可以发现关于集体激发的信息。我们提出了基于离散偶极子近似（DDA）的模拟，展示了如何恢复表面偶极子系统的动力学模式。考虑到相互作用，导致远程相干现象，这是揭示的方法。DDA的使用使得能够对从图案化的光子膜到生物大分子的各种各样的对象进行建模。
2012-08-07 physics.optics quant-ph
Alignment-dependent decay rate of an atomic dipole near an optical nanofiber
我们研究了$^{87}$ Rb原子自发发射率的变化，即Purcell效应，在一个光学透镜（$\sim$ 500 nm直径）附近。我们观察到的增强和抑制的原子衰变率取决于诱导的原子偶极子相对于的取向。当考虑原子作为简单的振荡线性偶极子时，时域差分模拟与测量定量一致。这是令人惊讶的，因为原子的多能级性质应该产生不同的辐射模式，预测比测量的寿命更小的修改。这项工作是朝着表征和控制光波导附近的原子特性迈出的一步，光波导是量子光子学发展的基本工具。
2017-04-27 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Enhanced spontaneous emission from nanodiamond colour centres on opal photonic crystal
钻石中的色心是基于自旋和/或光子的量子技术和生物医学成像的有前途的候选平台。控制金刚石中色心的发射特性是开发具有高收集效率的高效单光子源的关键要求。通过将纳米金刚石晶体中的单个发射体耦合到共振电磁结构，许多组已经在窄波长范围内产生发射速率的增强。在这里，我们详细介绍了位于结构化衬底上的不同位置的氮空位中心的自发发射率。当纳米金刚石在蛋白石光子晶体表面上时，我们显示出平均1.5倍的总发射率增强，并观察到寿命分布的变化。我们提出了一个模型来解释这些观测结果，并与偶极取向和极化效应的寿命特性。
2011-02-02 physics.optics quant-ph
Photonic nano-structures on (111) oriented diamond
我们展示了在（111）取向的化学气相沉积金刚石衬底上制备单晶金刚石纳米柱。这种晶体取向提供了氮空位（NV）中心发射与纳米柱模式的最佳耦合，因此优于先前的方法。我们表征了这些纳米柱中的单一原生NV中心，并发现单晶金刚石中报道的最高饱和荧光计数率之一超过每秒10个${}^6$计数。我们表明，我们的纳米制造过程保存的优先排列，以及在我们的结构中的NVs的自旋相干性。我们的研究结果将使新一代的高灵敏度的探头为NV的磁强计和铺平道路的光子晶体与NV中心的发射偶极子的最佳取向。
2014-03-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci quant-ph
Hermitian and Non-Hermitian Topology from Photon-Mediated Interactions
本文发现光子介导原子间相互作用的拓扑性质与光子浴拓扑之间存在系统-浴对应关系，取决于发射体数量与谐振器数量之比，并揭示了拓扑保持与反转现象。
2023-03-01 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Mesoscopic Entanglement Induced by Spontaneous Emission in Solid-State Quantum Optics
固态量子光学的实现为我们提供了量子比特被放置在光子或等离子体一维波导中的固定位置处的设备。我们表明，仅仅通过控制量子比特的位置，并与相干驱动的帮助下，集体自发衰变可以工程产生纠缠介观稳态。我们的方案依赖于通过相消干涉实现纯超辐射Dicke模型，该干涉消除了一维中的偶极-偶极相互作用。
2013-01-16 cond-mat.mes-hall quant-ph
Atom-Light Interactions in Photonic Crystals
纳米光子学和原子物理学的结合是一个长期追求的目标，它将为光学物理学开辟新的前沿。在这里，我们报告的第一个集成光学电路的发展与光子晶体能够本地化和界面原子与设备中的引导光子。通过将光子晶体波导（PCW）的光学带与选定的原子跃迁对准，我们的平台通过光子介导的沿PCW的原子相互作用为新颖的量子输运和多体现象提供了新的机会。从平均原子数N = 1.1 $\pm$ 0.4的反射光谱中，我们推断，原子是本地化的PCW内的Casimir Polder和光学偶极力。单原子辐射衰变到PCW中的分数为$Γ_{\rm 1D}/Γ'$ = 0.32 $\pm$ 0.08，其中$Γ_{1D}$是发射到导模中的速率，$Γ'$是衰变到所有其他通道中的速率。$Γ_{\rm 1D}/Γ'$引用没有增强由于外部腔，是前所未有的，在所有目前的原子-光子接口。
2013-12-12 physics.optics quant-ph
Directional spontaneous emission in photonic crystal slabs
本文研究光子晶体平板中定向自发辐射与几何参数、发射体位置及偏振的关系，揭示通过实际材料结构精细调控集体量子光学现象的潜力。
2023-12-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
On-Chip Integration of Single Solid-State Quantum Emitters with a SiO$_2$ Photonic Platform
未来集成纳米光子器件的一个重要组成部分是单光子发射器和具有单光学模式的量子存储器的可扩展芯片上接口。在这里，我们提出了一个单一的固态量子位，氮空位（NV）中心，与光子平台组成的硅衬底上热生长的SiO $_2$完全确定性集成。该平台以其超低荧光和生产各种无源结构（如高Q微谐振器和模式尺寸转换器）的能力而脱颖而出。通过数值分析，可以确定一个最佳的结构，有效地耦合的偶极子发射器的导模。在实验上，预选NV发射器的集成与原子力显微镜和量子发射器的片上激发以及单光子耦合到集成结构的导模进行了演示。我们的方法显示了该平台作为具有固态量子位的片上光子结构的强大纳米级接口的潜力。
2019-05-28 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Photonic systems with two-dimensional landscapes of complex refractive index via time-dependent supersymmetry
我们提出了一个框架，真正的二维景观的折射率的光学设置的可解模型的建设。利用含时超对称性，在傍轴近似下得到了不可分的麦克斯韦方程组的解。我们讨论了特殊的理论方面的建设。讨论了局域态存在的充分条件。构造了大$|\vec{x}|$（我们称之为光点）以及波导外指数消失的导模的局部化解。我们考虑不同的定义的宇称算子和分析的一般性质的$\mathcal{PT}$对称系统，例如，存在的本地化状态或存在的对称运营商。尽管具有奇偶时间对称性的模型是主要关注的，所提出的框架可以为非$\mathcal{PT}$对称系统的建设以及。我们明确地说明了一些物理上有趣的例子，例如，波导与折射率的周期性波动或局部缺陷，弯曲波导，两个耦合波导或均匀的折射率系统与局部缺陷的一般结果。
2019-05-17 hep-th math-ph math.MP
