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Topological photon pumping in quantum optical systems
Quantum ( IF 5.1 ) Pub Date : 2024-10-02 , DOI: 10.22331/q-2024-10-02-1488 Mathias B. M. Svendsen, Marcel Cech, Max Schemmer, Beatriz Olmos
Quantum ( IF 5.1 ) Pub Date : 2024-10-02 , DOI: 10.22331/q-2024-10-02-1488 Mathias B. M. Svendsen, Marcel Cech, Max Schemmer, Beatriz Olmos
We establish the concept of topological pumping in one-dimensional systems with long-range couplings and apply it to the transport of a photon in quantum optical systems. In our theoretical investigation, we introduce an extended version of the Rice-Mele model with all-to-all couplings. By analyzing its properties, we identify the general conditions for topological pumping and theoretically and numerically demonstrate topologically protected and dispersionless transport of a photon on a one-dimensional emitter chain. As concrete examples, we investigate three different popular quantum optics platforms, namely Ryd-berg atom lattices, dense lattices of atoms excited to low-lying electronic states, and atoms coupled to waveguides, using experimentally relevant parameters. We observe that despite the long-ranged character of the dipole-dipole interactions, topological pumping facilitates the transport of a photon with a fidelity per cycle which can reach 99.9%. Moreover, we find that the photon pumping process remains topologically protected against local disorder in the coupling parameters.
中文翻译:
量子光学系统中的拓扑光子泵浦
我们在具有远程耦合的一维系统中建立了拓扑泵浦的概念,并将其应用于量子光学系统中的光子传输。在我们的理论研究中,我们引入了具有全对多耦合的 Rice-Mele 模型的扩展版本。通过分析其特性,我们确定了拓扑泵浦的一般条件,并从理论和数值上证明了光子在一维发射链上的拓扑保护和无色散传输。作为具体示例,我们使用实验相关参数研究了三种不同的流行量子光学平台,即 Ryd-berg 原子晶格、激发到低位电子态的原子的致密晶格和耦合到波导的原子。我们观察到,尽管偶极子-偶极子相互作用具有长程特性,但拓扑泵浦促进了光子的传输,每个周期的保真度可以达到 99.9%。此外,我们发现光子泵浦过程在拓扑学上仍然受到保护,不受耦合参数中的局部无序影响。
更新日期:2024-10-02
中文翻译:

量子光学系统中的拓扑光子泵浦
我们在具有远程耦合的一维系统中建立了拓扑泵浦的概念,并将其应用于量子光学系统中的光子传输。在我们的理论研究中,我们引入了具有全对多耦合的 Rice-Mele 模型的扩展版本。通过分析其特性,我们确定了拓扑泵浦的一般条件,并从理论和数值上证明了光子在一维发射链上的拓扑保护和无色散传输。作为具体示例,我们使用实验相关参数研究了三种不同的流行量子光学平台,即 Ryd-berg 原子晶格、激发到低位电子态的原子的致密晶格和耦合到波导的原子。我们观察到,尽管偶极子-偶极子相互作用具有长程特性,但拓扑泵浦促进了光子的传输,每个周期的保真度可以达到 99.9%。此外,我们发现光子泵浦过程在拓扑学上仍然受到保护,不受耦合参数中的局部无序影响。