任意介质中截断量子光-物质相互作用的规范不变理论

在光-物质相互作用模型中，由物质和光子空间截断引起的规范不变性丧失，在物质与光强杂化时会对传统量子光学模型构成重大挑战。在实践中为实现强光-物质耦合所必需的结构化光子环境中，也需要介质内场量化的严格模型。在此，我们利用宏观 QED 框架，从基本的光-物质作用量出发，在具有空间依赖色散和吸收介电常数的任意材料系统中对场进行量子化。我们在正则量子化过程中通过施加部分规范固定约束来尊重规范原理，从而截断物质和模式自由度，该约束允许大量规范，包括库仑规范和多极规范。我们还考虑了具有显式时间依赖性的规范条件，使我们能够在任意规范中明确引入唯象的时间依赖光-物质相互作用。我们的结果使人们能够在结构化光子环境中推导无规范模糊的极强光-物质相互作用严格模型。讨论了二能级系统和偶极近似的结果，以及如何超越偶极近似以得到有效的单粒子模型。通过与非均匀介电体的极限情形比较——其中色散和吸收可忽略，且场可按介电体的广义横向本征函数展开——我们展示了有损系统如何引入额外的规范模糊，我们解决了这一问题并预测其对开放量子系统模型具有根本性影响。最后，我们展示了如何利用简单的规范不变光探测模型无模糊地计算模式截断系统中的可观测量。