Explorando o acoplamento ultraforte no modelo de Rabi quântico para a conversão de fótons

Abstract

Durante as duas últimas décadas, um número crescente de experimentos vem demonstrando o alcance de uma interação radiação-matéria cada vez mais intensa, disponibilizando novas fronteiras para o estudo dos regimes de acoplamento ultraforte e extremamente forte em diversas plataformas quânticas. O presente projeto de pesquisa teve como objetivo investigar teoricamente o espectro de emissão do modelo de Rabi quântico nesses regimes de acoplamento, explorando a potencialidade de empregar esse sistema como um conversor de fótons. Para analisar o sistema, foi utilizado o formalismo microscópico da equação mestra e programação em linguagem Python, principalmente o pacote QuTiP (Quantum Toolbox in Python), um pacote de software open-source para a simulação da dinâmica de sistemas quânticos abertos. De acordo com a análise desse sistema, percebe-se que, quando observamos os comportamentos dos autoestados do sistema do modelo de Rabi no acoplamento ultraforte, acontece um cruzamento entre níveis excitados do sistema, o que permite que um fóton absorvido pelo sistema seja convertido em três, os quais têm em geral frequências distintas e são convertidos em cascata. Investigamos aqui o espectro dessas emissões a partir das taxas de transição entre os autoestados, transições as quais são induzidas pelo acoplamento da cavidade/ressonador com seu reservatório. Analisamos a dependência não só com a variação da constante de acoplamento, mas também com relação à dessintonia entre as frequências da cavidade (ωc) e do átomo de dois níveis (ωq). Obtemos que a conversão de fótons se torna o processo predominante para certo intervalo de acoplamentos ultraforte e extremamente forte somente quanto átomo e cavidade são não ressonantes e desde que ωq > wc.

Over the past two decades, a growing number of experiments have demonstrated increasingly intense radiation-matter interactions, unveiling new frontiers for studying the ultra-strong and extremely strong coupling regimes across various quantum platforms. This research project aimed to theoretically investigate the emission spectrum of the quantum Rabi model in these coupling regimes, exploring the potential of employing this system as a photon converter. To analyze the system, we used the microscopic formalism of the master equation and programming in Python, mainly the QuTiP (Quantum Toolbox in Python) package, an open-source software for simulating the dynamics of open quantum systems. According to the analysis of this system, it is observed that when examining the behaviors of the eigenstates of the Rabi model in the ultra-strong coupling regime, a crossing occurs between excited states of the system, allowing an absorbed photon to be converted into three photons, generally of distinct frequencies and converted in a cascade. Here, we investigate the spectrum of these emissions from the transition rates between eigenstates, with transitions induced by the coupling of the cavity/resonator with its reservoir. We analyze not only the dependence on the variation of the coupling constant but also the detuning between the frequencies of the cavity (ωc) and the two-level atom (ωq). We find that photon conversion becomes the predominant process within a certain range of ultra-strong and extremely strong couplings only when the atom and cavity are non-resonant, with ωq > ωc.