手性波导 QED 中多体光子束缚态的动力学

我们从理论上研究了手性波导中光子的少体与多体动力学。特别地，我们考察了脉冲通过 $N$ 个手性耦合到波导的二能级系统之系统的传播。我们表明该系统支持关联多光子束缚态，其具有确定的光子数 $n$ 并以随 $1/n^2$ 缩放的群延迟通过系统传播。这导致一个有趣的结果：在传播过程中，入射相干态脉冲分裂为不同的束缚态分量，在足够长的系统中可在输出端发生空间分离。对于足够多光子和足够短的系统，我们表明 $n$ 体束缚态的线性组合恢复了自感透明中著名的的平均场孤子现象。然而对于较长系统，孤子通过量子关联动力学而破裂。因此我们的工作涵盖了从少光子量子传播、到真正的量子多体（原子与光子）现象、直至量子到经典过渡的整个谱系。最后，我们证明束缚态可与额外光子发生弹性散射。总之，我们的结果表明光子束缚态是从光子与二能级发射体之间最基础的光-物质相互作用中涌现出的真正独特的物理对象。我们的工作为在手性波导 QED 中研究量子多体物理与孤子物理打开了大门。