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量规模糊性表明 Jaynes-Cummings 物理在超强度耦合 QED 中仍然有效。

Gauge ambiguities imply Jaynes-Cummings physics remains valid in ultrastrong coupling QED.

机构信息

School of Physics and Astronomy, University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL, UK.

出版信息

Nat Commun. 2019 Jan 30;10(1):499. doi: 10.1038/s41467-018-08101-0.

DOI:10.1038/s41467-018-08101-0
PMID:30700701
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6354024/
Abstract

Ultrastrong-coupling between two-level systems and radiation is important for both fundamental and applied quantum electrodynamics (QED). Such regimes are identified by the breakdown of the rotating-wave approximation, which applied to the quantum Rabi model (QRM) yields the apparently less fundamental Jaynes-Cummings model (JCM). We show that when truncating the material system to two levels, each gauge gives a different description whose predictions vary significantly for ultrastrong-coupling. QRMs are obtained through specific gauge choices, but so too is a JCM without needing the rotating-wave approximation. Analysing a circuit QED setup, we find that this JCM provides more accurate predictions than the QRM for the ground state, and often for the first excited state as well. Thus, Jaynes-Cummings physics is not restricted to light-matter coupling below the ultrastrong limit. Among the many implications is that the system's ground state is not necessarily highly entangled, which is usually considered a hallmark of ultrastrong-coupling.

摘要

两能级系统与光的强耦合在基础和应用量子电动力学(QED)中都很重要。这种模式是通过旋转波近似的失效来确定的,应用于量子拉比模型(QRM)会得到明显不那么基础的 Jaynes-Cummings 模型(JCM)。我们表明,当将物质系统截断到两个能级时,每个规范给出了不同的描述,对于强耦合,这些描述的预测差异很大。QRMs 通过特定的规范选择得到,但不需要旋转波近似也可以得到 JCM。分析一个电路 QED 装置,我们发现这个 JCM 比 QRM 更准确地预测基态,而且通常对第一激发态也是如此。因此,Jaynes-Cummings 物理并不局限于低于强耦合极限的光物质耦合。其中一个重要的推论是,系统的基态不一定是高度纠缠的,这通常被认为是强耦合的一个标志。

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