少光子脉冲波导量子自发射子的量子动力学：频率相关散射理论与时依赖矩阵积木状态

我们对脉冲少光子散射进行量子动力学研究，聚焦于单个人工原子（由两能级系统或量子比特构成）在波导量子电动力学系统中的散射。本文直接比较和对比两种不同的量子理论模拟方法：(i) 基于频率相关散射矩阵的输入-输出散射方法；(ii) 基于时域矩阵积木(MPS)方法，运用时域离散化的量子噪声算子和张量网络技术求解整个系统的时依赖波导函数。首先，我们以单光子和双光子 Fock 态脉冲为例，从脉冲激励开始，展示如何以包含脉冲光谱信息的频率积分形式计算时依赖可观测量，包括如何提取激发态量子发射器的受激人口动态以及线性与非线性贡献。我们给出对称和手性 TLS 耦合的解。随后，我们展示如何使用 MPS 方法更直接地计算量子比特和场的可观测量，获得在两个时刻的双光子关联函数中出现的特征鸟形状，该结果已在最近实验中观察到。我们对两种方法在单光子和双光子激励脉冲下的计算进行比较与对比，结果表明二者具有良好的一致性。我们还研究了线性与非线性贡献，这些贡献可通过散射理论轻松计算，并展示了脉冲持续时间的重要作用。最后，我们通过轻松扩展到更高阶 N 光子激励，展示了 MPS 方法的显著优势，并选取了最高达八光子 Fock 态脉冲的示例人口动力学，显示在脉冲相互作用期间出现清晰的非线性人口振荡，类似于经典拉比振荡，但其输入场为量子场且电场期望值为零。