弱耦合原子系综中三光子输运理论

理解非平衡量子系统中的多光子相互作用是量子光学中的一个突出挑战。在这项工作中，我们开发了一个解析和图解框架来探索弱耦合到一维波导的原子系综中的三光子相互作用。利用弱耦合，我们使用我们的图解框架进行微扰论，并计算三光子波函数的领头阶贡献，否则这是难以处理的。然后，我们计算了共振驱动原子系综的出射光子波函数，其中光子-光子相互作用被截断到最多三个光子。我们的公式不仅捕捉了单个光子的透射，还分离了体现真正光子-光子关联的连通S矩阵元。通过详细分析，我们得到了连通三阶关联函数和三阶电场正交累积量的解析表达式，揭示了由双光子和三光子过程相互作用产生的非高斯特征。我们还计算了可以观察到非高斯光子态的光学深度。基于级联主方程的数值模拟验证了我们在小规模系统上的解析预测。这些结果为进一步探索原子系综中的非平衡量子光学并将其扩展到非高斯光子输运领域提供了一个形式体系。