发射体集合产生单光子非线性的量子理论

在少光子水平实现两个光场之间足够快的相互作用，将为广泛的量子技术提供关键使能条件。这一努力中的一个关键障碍是缺乏关于发射体集合产生非线性过程的完备量子理论。适用于不同机制的不同方法已带来重要见解：i) 半经典方法表明，对于多光子相干场，独立发射体的贡献相互独立叠加，使得集合可通过电磁诱导透明(EIT)产生强光学非线性；ii) 量子分析表明，在少光子机制下集体耦合效应阻碍集合诱导这些强非线性。颇为令人惊讶的是，约二十个光子的实验结果与半经典预言一致。由于处理非线性多体量子系统的困难，理论分析一直呈碎片化。在此，我们通过对单发射体与集合产生光学非线性过程构建一种强有力的理论解决了该问题。此构建的关键在于将微扰论应用于由子系统产生的微扰。该理论揭示了集合长期模糊的关键性质。其中最引人注目的是发现量子效应仅在旋转波机制内阻止集合产生单光子非线性；在该机制之外，单光子非线性随发射体数量缩放。我们在此提出的理论还提供了计算任意多能级驱动方案下非线性的高效方法，并期望它将成为该领域进一步进展的有力基础。