傑恩斯-卡明斯模型
傑恩斯-卡明斯模型(Jaynes–Cummings model (JCM))是一個量子光學的理论模型。 這是一個描述雙態系統和量化光腔(optical cavity)交互作用的模型,這種交互作用和光子的存在與否無關(在电磁辐射能造成光子自發性的放射與吸收)。它主要被運用在原子物理學、量子光學、固態量子信息電路的理論與實驗上。
公式
系统哈密頓量
由自由場哈密頓量,原子激發態哈密頓量,JCM哈密頓量組成:
為方便起見,设真空場能量為 .
其中:
JCM哈密頓量
通過把薛丁格繪景轉換為相互作用繪景(又名旋轉框架(rotating frame)) ,使得,可以得到:
這個哈密頓量同時包含了兩個部分:
- 是快速震蕩,
- 是慢速震蕩。
為了求解這個方程,簡化模型是再所難免的。注意到,當 的時候,快速振盪的 “反向旋轉”項(也就是快速震蕩項)可被忽略,這被稱為旋波近似。再將之轉換回薛丁格繪景,JCM哈密頓量就變成了:
其中,
- 是原子場的耦合常數,
- 是原子躍遷時刻,
- 是腔模的體積。
本徵態
一般情況下,將哈密頓量拆分為2部分有助於對其進行求解:
其中,
稱之為場與雙態系統的失諧量(頻率)。
為了更好地求解哈密頓量,把的本徵態轉換成張量積 (,表示模型中輻射量子的數量。)
對位任意正整數n,狀態 與狀態 會退化為 , 足以在子空間對角化。 的元素屬於的子空間,表示為:
對於任意正整數n,能量本徵態為:
其中, 是拉比頻率特殊的失諧參數。
含能量本徵態 的特徵值是:
其中,
薛丁格繪景動量
為了得到動量的一般情況。 首先考慮一個場疊加態的初態 ,若置一激發態原子于場內,則系統初態為:
其中 是該系統的定態, 含時狀態向量是:
參考資料
- S. Stenholm, "Quantum theory of electromagnetic fields interacting with atoms and molecules", Physics Reports, 6(1), 1-121 (1973).
- A. A. Karatsuba, E. A. Karatsuba. . J. Phys. A: Math. Theor. 2009, (42): 195304, 16. Bibcode:2009JPhA...42s5304K. doi:10.1088/1751-8113/42/19/195304.
參考文獻
- Serge Haroche, Jean-Michel Raimond: Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons. Oxford University Press 2006, ISBN 978-0198509141
延伸閱讀
- C.C. Gerry and P.L. Knight (2005). Introductory Quantum Optics, Cambridge: Cambridge University Press.
- M. O. Scully and M. S. Zubairy (1997), Quantum Optics, Cambridge: Cambridge University Press.
- D. F. Walls and G. J. Milburn (1995), Quantum Optics, Springer-Verlag.
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