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Sandbox Physics
腔与波导量子电动力学

L3 · 第 5 章

怎样从传播场得到探测器会记录的量

探测器记录发生在输出端口,而且带着自己的时间响应。先求离开系统的场,再按测量方式处理,才得到可以比较的记录。逐帧抽样腔内光子数,得到的是一串重新测量系统的结果,不能直接当成同一次发射的点击轨迹。

端口是定义好的离开位置

结构化浴实验保留三十五个谐振器,原子接在中央,两端各连一个无记忆输出。链内的 cj(t)c_j(t) 是仍留在浴中的振幅。端点振幅乘上端口耦合率的平方根,才得到流向左、右输出的单光子包络。

这是“有限带宽系统加开放端口”的模型:链内传播和回返直接求解,最外面的端口用 Markov 近似。原子还有单独的损失通道。链末端不匹配造成的返回,会随端口耦合改变;它与同一原子接到波导两点的几何不同。

ξL(t)=κp c0(t),ξR(t)=κp c34(t),Pr(T)=∫0T∣ξr(t)∣2 dt\xi_L(t)=\sqrt{\kappa_p}\,c_0(t),\qquad \xi_R(t)=\sqrt{\kappa_p}\,c_{34}(t),\qquad P_r(T)=\int_0^T|\xi_r(t)|^2\,dt
输出包络量纲为每秒平方根的倒数。两个端口彼此区分,累计概率可以直接相加。

对应阅读:Sandbox Physics FR11

先把未离开的部分留下来

初始原子有一个激发。到时刻 TT,它可能仍在原子中,仍在链里,已经从左右端口出去,或进入原子的额外损失通道。这些互斥去向的概率之和应为一。

完整例题:假设记录末尾仍有零点一留在系统,左右端口合计零点八,额外损失零点一。此时收集概率就是零点八。把剩余系统概率也分给输出,会把尚未发生的发射提前算进去。延长窗口后,三类数都可以继续变化。

Pe(T)+∑j∣cj(T)∣2+PL(T)+PR(T)+Ploss(T)=1P_e(T)+\sum_j|c_j(T)|^2+P_L(T)+P_R(T)+P_{\rm loss}(T)=1
必须用同一轮演化得到各项。额外损失取原子激发概率乘对应损失率后积分。

探测器会把尖锐的脉冲摊开

理想单光子通量为 I(t)=∣ξ(t)∣2I(t)=|\xi(t)|^2。若探测器以因果响应 h(t)h(t) 把真实到达时刻扩散成较晚的读数,记录的平均通量是卷积。卷积就是把各个早先时刻的通量按响应权重重新相加。

这个模拟探测器的一阶响应时间为 τd=0.6\tau_d=0.6 个模型时间单位。它让上升沿变缓、峰值推迟,并留下尾巴。响应归一化时,无限长窗口内的总权重守恒;有限窗口末尾还没读出的尾巴必须单列。

这一步处理强度,不能拿去生成具有同样相位信息的新量子态。一个有损的光学滤波器会先作用于场振幅,而且需要把未透过的端口算进去;它和读出电路的时间模糊是不同过程。

Idet(t)=∫0te−(t−s)/τdτdI(s) dsI_{\rm det}(t)=\int_0^t\frac{e^{-(t-s)/\tau_d}}{\tau_d}I(s)\,ds
这是明确声明的合成探测器响应,不是实际仪器标定。对复包络做模式重叠时使用保存的原始输出。

位置图何时能换成到达时间图

第四章的 ∣Φjk∣2|\Phi_{jk}|^2 描述同一时刻在两个位置找到光子的概率。要把位置映成探测时刻,需要光已离开散射区、传播速度已知,且相关频带内色散足够小。再由路程除速度得到时间,并加入变量变换的雅可比因子。

若脉冲横跨带边,频率不同的部分速度差异很大,就不能用一条直线把位置轴换成时间轴。稳妥的做法是在定义好的输出端口算双时间场关联,或显式加入探测器与输出模式。

正常排序的场关联统计联合探测。连续稳态的二阶关联除以平均通量后,就显示联合事件比独立事件增强或减弱多少。一个只有两个激发的有限脉冲,没有恒定的稳态通量可直接拿来套用。

g(2)(t,t′)=⟨b†(t)b†(t′)b(t′)b(t)⟩⟨b†(t)b(t)⟩⟨b†(t′)b(t′)⟩g^{(2)}(t,t')=\frac{\langle b^\dagger(t)b^\dagger(t')b(t')b(t)\rangle}{\langle b^\dagger(t)b(t)\rangle\langle b^\dagger(t')b(t')\rangle}
分母为零时这个归一化量不定义。带输入相干场的透射端口,还包含输入与辐射之间的干涉。

对应阅读:Sheremet et al.

保存足够的信息,让后处理可以重做

输出记录至少保留模型版本、参数、时间单位、采样时刻和复振幅的实部与虚部。只存强度可以重算收集概率与探测器模糊,却无法重算相位敏感的模式保真度。

最后一章另外计算弱驱动二能级原子的侧向荧光关联,验证主方程与探测器响应。它是独立的 Markov 稳态基准;有限波导的两光子空间图仍按自己的模型解释。

动手检验预测

从同一份端口记录重新算通量

  1. 保存默认演化的复端口记录。先检查原子、链、左右输出及损失的总概率。
  2. 比较原始输出与探测器响应后的曲线,预测再延长窗口会补上哪部分尾巴。
  3. 调整端口耦合后重新保存,判断返回主要来自端口不匹配还是带宽变化,并写出证据。

练习与解释性答案

  1. 强度曲线完全相同的两份记录,会有相同的时间模式保真度吗?

    展开解释

    不一定。复相位可以不同;后一章的模式重叠先把复振幅相加,再取模平方。仅存强度会丢掉这部分信息。

  2. 归一化的探测器响应为何会让有限窗口内的总计数下降?

    展开解释

    一部分响应尾巴被推到了窗口外。延长窗口或保存末尾尚未读出的权重,才能检验总权重是否守恒。

  3. 一次测量发现腔里有一个光子,能否据此给输出曲线加一次点击?

    展开解释

    不能直接这样做。腔测量和输出探测是不同的测量操作,可能改变系统态;正确点击模型需要指定输出探测算符与条件演化。

来源与计算范围

  1. Sheremet et al., Waveguide quantum electrodynamics, Rev. Mod. Phys. 95, 015002 (2023)

    理论部分与附录 A 提供单激发传播和输入输出关系的背景。本课程的双振幅例题与示意图由作者独立计算、绘制。

  2. Sandbox Physics FR11, finite-band ports and collected-mode model

    有限浴保留场振幅与各条输出损失;探测器响应为声明的合成滤波。另一个可控源保存复输出采样,用于接收模式投影。

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