全新二次量子化方案揭示非马尔可夫动力学和量子纠缠
一．研究背景
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在最新一期的《物理评论快报》中，英国伯明翰大学物理与天文学学院的Ben Yuen和Angela Demetriadou发表了一项突破性研究成果，提出了一种全面的二次量子化方案，用于精确模拟量子发射器与辐射光子环境的相互作用。这一创新方法绕过了传统量子电动力学中的储备近似，为深入理解和模拟非马尔可夫动力学和量子纠缠提供了新的理论工具。
二．方法与成果
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研究者通过将光子模式的连续体转化为离散的伪模式，开发了一种新的描述方法。这种方法不仅简化了问题，而且保持了与光子系统共振模式的直接联系。通过导出伪模式的量子动力学方程，研究者们能够捕捉场的所有相关性和非马尔可夫动力学，并准确描述光的传播。他们提出了一种全面的二次量子化方案，用于辐射性光子设备。通过将连续的光子本征模式转换为一组离散的伪模式，我们提供了一个完整且精确的量子发射体与电磁环境相互作用的描述。该方法避免了所有储库近似，并提供了对量子相关性的新见解，准确捕捉了所有非马尔可夫动态。该方法克服了量子化非厄米系统时的挑战，并适用于多样化的纳米光子几何结构。
环境的几何形状定义了光子与物质的相互作用，从而增加了其辐射行为的复杂性，从原子与表面之间的卡西米尔力，到纳米粒子增强的分子荧光，再到彩色玻璃的色彩斑斓。最近，量子发射体（QEs），如原子、荧光分子和量子点，已被耦合到越来越复杂的光子设备中，如光学微腔、纳米光束、等离子体纳米结构和混合纳米光子设备。与多个光子模式的相互作用导致了非马尔可夫量子动态，这些动态显著影响量子信息处理、量子传输、光化学和生物过程中光捕获的未来发展。
研究人员通过将量子场的本征模式展开为伪模式来发展一种先验的完整量子电动力学描述，无需储库，这些伪模式最初用于处理孤立的洛伦兹共振，后来从量子动力学方程的运动中产生，但与光子系统的共振模式保持直接关系，以获得场的所有相关性和非马尔可夫动态，并准确描述了光的传播。他们通过将连续的赫尔姆霍兹本征模式转换为离散的伪模式集合，解决了量子动态的演化问题，无需储库，并展示了如何通过解决这些方程来获得一个初始激发的量子发射体的完整量子动态演化。这些方程是非厄米的，因为zgn和gn是复数值，这导致伪模式振幅bsn(t)随时间衰减，因为能量辐射到远场。通过解决这些方程，他们得到了一个初始激发的量子发射体的完整量子动态演化。
他们还提出了一种通用理论，为与辐射性光子设备强相互作用的量子发射体提供了完整且精确的量子电动力学描述。通过量子化连续的赫尔姆霍兹本征模式，然后将它们一一对应地转换为一组离散的非厄米伪模式。因此，他们解决了在量子化非厄米系统时遇到的常见问题，例如模式发散、定义模式体积和识别规范场变量。此外，他们的方法精确捕捉了场和量子发射体的所有量子相关性，避免了常见的马尔可夫近似，并且与其它方法不同，准确捕捉了光传播到远场的行为。这种方法可以通过局部态密度的解析延续进一步扩展到任意光子几何结构，并且可以在实验上实现的纳米尺度系统中揭示非马尔可夫行为。 这项研究提供了一种全新的理论框架，为量子发射器与辐射光子器件之间的量子电动力学提供了完整和精确的描述。
三．发展前景
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图文｜苏胡军 尤梓健 江涛
编辑｜李文博
责编｜欧阳豫辉
审核｜曹煜珑 王乙如 贾桓 张为东 祁雪峰
