🕳️ Jaynes-Cummings-Modell — Vakuum-Rabi-Oszillationen

Es ist das einfachste exakt lösbare Modell eines einzelnen Zweiniveauatoms, das mit Kopplungsstärke g an eine einzelne quantisierte Lichtmode in einem Hohlraum gekoppelt ist. Es erfasst den vollständig quantenmechanischen Austausch einer einzelnen Anregung zwischen Atom und Feld und bildet die Grundlage der Hohlraum- und Schaltkreis-Quantenelektrodynamik (QED).

Selbst ein leerer Hohlraum ist quantenmechanisch nicht wirklich „nichts“ — das elektromagnetische Vakuum besitzt Nullpunktsfluktuationen. Ein angeregtes Atom kann ein Photon in diese Fluktuationen emittieren und wieder absorbieren, was eine echte Oszillation mit der Rate g erzeugt, selbst wenn keine Photonen vorhanden sind. Diese „Vakuum-Rabi-Oszillation“ hat kein Analogon in der klassischen Physik.

Ein kohärenter Zustand enthält eine Streuung von Photonenzahlen mit Poisson-Gewichten um den Mittelwert n̄. Jede Photonenzahl-Komponente rabi-oszilliert mit ihrer eigenen Frequenz 2g√(n+1). Da diese vielen Frequenzen nahe beieinander, aber nicht identisch sind, geraten sie schnell außer Phase (Kollaps), driften dann — da √(n+1) in der Nähe von n̄ glatt und nahezu linear variiert — periodisch wieder in Phase, und die Oszillation erscheint erneut (Wiederbelebung), etwa alle t_Wiederbelebung ≈ 2π√n̄/g.

Hohlraum-QED-Experimente der Gruppe von Serge Haroche fingen Mikrowellenphotonen zwischen supraleitenden Spiegeln ein und beobachteten genau dieses Kollaps-und-Wiederbelebungsverhalten, eine Arbeit, die mit dem Nobelpreis für Physik 2012 gewürdigt wurde. Dieselbe Jaynes-Cummings-Kopplung beschreibt heute supraleitende Qubits, die an Mikrowellenresonatoren in der Schaltkreis-QED gekoppelt sind, der führenden Architektur hinter vielen heutigen Quantencomputern.