腔内光子的 Goldstone 模与 Higgs 模

Goldstone 模和 Higgs 模已在各种凝聚态、冷原子和粒子物理实验中被探测到。在此，我们证明这两种模也可以在仅包含少数（人工）原子的腔光学系统中被观测到。我们通过研究 $N$ 个量子比特（原子）耦合到单个光子模的 $U(1)/Z_2$ Dicke 模型建立了这一联系。我们通过在有限 $N$ 下进行 $1/J=2/N$ 展开和精确对角化（ED）研究，确定了超辐射相内的 Goldstone 模和 Higgs 模及其相应的光谱权重。我们发现，即使当 $N$ 降至 $N = 2$ 时，两种方法所得结果也几乎完美吻合。少数量子比特处的量子有限尺寸效应使得这两种模对有效的小反旋转波项具有极强的鲁棒性。我们提出了几种降低临界耦合强度的方案，以便通过常规光学测量在若干腔内（人工）原子实验系统中观测到这两种模。