基于腔量子电动力学的引力子换能器

我们发展了对电磁波 (EM) 与引力波 (GW) 共振相互作用的量子描述。首先我们指出，洛伦兹不变性以及极化选择规则在自由空间中禁止任何光子-引力子混合。我们展示，在将 EM 场限制于腔量子电动力学 (腔-QED) 环境中时，平移对称性和各向同性被打破，导致 EM 与引力自由度之间的非零模式耦合。在此框架下，我们识别出多种光子-引力子散射通道，包括光子上转换和下转换以及光子创生。在三线相互作用的半经典极限下，其中 GW 作为经典泵浦而 EM 场处于真空状态时，发生自发参数光子放大和两模压缩。然而当引力场量子化时，光子与引力子之间发生反馈和能量交换，导致放大饱和，与指数增长不同，同时导致光子子系统的纯度下降。特征时间尺度为 $t_{\text{sp}}\sim(g\sqrt{n_g})^{-1}$，其中 $g$ 和 $n_g$ 分别指耦合强度和平均引力子数，显示示与引力子占据数相关的集体增强。在刺激 regime 中，当一个 EM 模式最初被占据时，有效耦合进一步增强，类似于 Dicke 型超辐射发射。本工作引入了一个基于腔体的引力子换能器，用于探测引力波的量子方面。