低能自由电子与腔光子的 Jaynes-Cummings 相互作用

Jaynes-Cummings哈密顿量处于腔量子电动力学的核心，并普遍存在于各类量子技术中。因此，实现并控制该哈密顿量的各个方面至关重要。然而，依赖束缚电子系统的传统实现从根本上受限于束缚电子的库仑势，此外还存在诸如需低温运行和制备不均匀等实际限制。本工作中，我们从理论上提出一种新方法，利用与介质量子微腔耦合的低能自由电子来实现Jaynes-Cummings哈密顿量，并举例说明该方法所赋能的若干量子技术。我们的方法利用量子反冲，其引起的大失谐抑制了连续多光子的发射，从而将自由电子有效地转化为与腔模耦合的两能级系统。我们表明，该方法可用于以单位效率和保真度生成单光子。进而我们推广此概念，通过适当设计腔模来实现多能级量子发射器，允许确定性光子对生成乃至腔光子与自由电子量子比特之间的量子SWAP门。当使用N个电子的纠缠对称态驱动腔时，耦合强度可提升√N倍。量子自由电子由其动能和与光波的相位匹配可调，本质上是具有可设计发射波长的通用发射器。因此，它们为不同光谱区间光子平台间的量子互连开辟了新可能。