Модель Джейнеса-Куммінґса: коливання вакууму Робе

Один атом, один частотний режим камери, повністю квантований

Модель Джейнеса-Куммінґса, опублікована у 1963 році, є найпростішим можливим описом взаємодії світла та матерії, де обидві сторони розглядаються повністю квантовомеханічно: один двовимірний атом (земний стан і збуджений стан), що з’єднаний із одним частотним режимом електромагнітної камери, а цей частотний режим також квантується у дискретні стани кількості фотонів замість того, щоб розглядатися як класична хвиля. Це відрізняє його від попередніх напівкласичних підходів, які квантували атом, але залишали світло класичним – і саме ця повна квантизація дозволяє моделі передбачати ефекти без будь-якого класичного відповідника.

Ритмічні коливання вакууму: обмін одним квантом між атомом і кабіною

Помістіть атом у вироблений стан з нульовою кількістю фотонів у камері, а ганмі-янеса-куммінгове гамільтоніане передбачає щось, чого не змогло б створити жодне класичне поле: атом і режим камери обмінюються одним квантом збудження вперед від одного до іншого на постійній швидкості, встановленій силою зв’язку g, яка називається частотою ритмічних коливань вакууму. Атом розпадається, випромінюючи фотон у камеру; режим камери потім повторно збуджує атом, поглинаючи той самий фотон назад; і цикл повторюється узгоджено, поки інший процес не втрутиться. Ця узгоджена, зворотна обмін однією фотоном можлива лише тому, що поле квантовано — класичне поле з нульовою амплітудою не може викликати випромінювання взагалі, але повністю квантоване стан вакууму все ще пов’язаний з атомом через коливання нуля кабіни.

Збій та відродження: інтерференція між різними числами фотонів

Почніть замість цього з освітленої камери в узмовному стані – суперпозиції, що поширюється через багато різних чисел фотонів, найближчий квантовий аналог класичного лазерного поля – і Робесбієвський збурення робить щось ще дивніше. Кожен компонент числа фотонів у суперпозиції підводить свій власний Робесбієвський збуреня за власною, трохи іншою частотою (оскільки коефіцієнт зв’язку для n фотонів масштабується як квадратний корінь з n), і оскільки ці частоти всі трохи відрізняються, коливання швидко виходять з фази один з одним, і загальне коливання здається зведеним до сталого, безформного плато. Але оскільки основні частоти є раціональними кратними спільної базової частоти, компоненти періодично вирівнюються, і коливання драматично відроджуються в обчислюваний пізній час, перш ніж знову згортатися та відновлюватися. Збій та відродження було передбачено задовго до того, як це можна було спостерігати, і є одним із найчистіших експериментальних підписів квантування поля.

Камера QED: де тестується модель в реальних умовах

Модель Джейніса-Куммінґса – це не просто теоретична вправа; це робочий опис, що лежить в основі поля кавайної квантової електродинаміки, який реалізовано експериментально з використанням справжніх атомів у високоякісних мікрохвильових камерах (група Сержа Хароша) та із штучних атомів, виготовлених зі срібла, підключених до напівпровідникових резонаторів (кілові квантова електродинаміка, фізична основа багатьох надпровідних квантових обчислювальних платформ). Обидва підходи підтвердили коливання вакуумного Рабі та динаміку колапсу-відродження практично так, як передбачає модель, і особливо кілові квантова електродинаміка масштабувала цю фізику в практичну інженерну платформу для побудови та вимірювання кубітів.

Сильний зв’язок та чому його важко досягти

Усі ці узгоджені обміни можливі лише за умови, що коефіцієнт зв’язку g перевищує як спонтанний випромінювання атома, так і втрати фотонів у мікрокамері – цей стан називається ‘сильним зв’язком’. Якщо ця умова не виконується, фотони витікають з мікрокамери або атом переходить в інші режими, окрім режиму мікрокамери, до того, як відбудеться будь-який узгоджений обмін, і система просто розслабляється класично замість коливатися. Досягнення сильного зв’язку експериментально вимагало надзвичайно високоякісних мікроскопів (дзеркал із відбиттям, близьким до одиниці), а це було значним науковим досягненням 1980-х – 2000-х років.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Jaynes-Cummings Model і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.