超越平均场近似的微波激射器腔量子电动力学模拟
量子物理
2026-01-16 v3 应用物理
摘要
基于著名的腔量子电动力学（QED）Tavis-Cummings（TC）模型，我们提出了一种量子力学模拟实验微波激射器动力学的方法，该方法超越了平均场近似（MFA），并考虑了微波激射器放大微波模式在其增益介质中交流磁场的空间变化。对于给定的几何结构和组成，可以使用电磁场求解器直接确定放大模式与介质中大量（通常为10^17）空间分布的量子发射器之间的耦合分布。将该分布离散化为少量区间的直方图后，我们近似地将同一区间内的所有发射器赋予相同的耦合，该耦合值等于区间范围的中心值。通过将近似哈密顿量表示为这些区间的加权和，我们使用Julia中公开的QuantumCumulants.jl包，生成海森堡绘景中算符期望值到累积量展开二阶的表达式。对于十个均匀间隔的区间，我们的模型（可在笔记本电脑上运行）用于模拟实验微波激射器（增益介质为并五苯掺杂的对三联苯）的记录输出。我们发现，与MFA下的标准TC模型相比，该模型更准确地再现了测量到的微波激射器动力学的量子力学特征，特别是其阻尼集体拉比振荡，R²值为0.774，而标准TC模型为0.265。因此，我们的模型应有助于改进和优化微波激射器设计的定量工程。
引用
@article{arxiv.2412.21166,
title = {Cavity-QED Simulation of a Maser beyond the Mean-Field Approximation},
author = {Niall Randall Carrera and Yining Jiang and Xinpeng Shu and Hao Wu and Mark Oxborrow},
journal= {arXiv preprint arXiv:2412.21166},
year = {2026}
}