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Engineering anisotropic Dicke model with dipole-dipole interaction for Rydberg atom arrays in cavity Bao-Yun Dong1,2, Yanhua Zhou4,5, Wei Wang1,2,∗and Tao Wang1,2,3† 1 Department of Physics, and Chongqing Key Laboratory for Strongly Coupled Physics, Chongqing University, Chongqing, 401331, China 2 Center of Modern Physics, Institute for Smart City of Chongqing University in Liyang, Liyang, 213300, China 3 Center of Quantum Materials and Devices, Chongqing University, Chongqing 401331, China 4 National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, People’s Republic of China and 5 School of Astronomy and Space Science, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China The anisotropic Dicke model reveals the important role that counter-rotating wave terms play in the cou- pling between light and two level atoms. It is intriguing to generate the model to the strongly correlated many body case, where the competition between atomic interaction and light-atom coupling will induce exotic phe- nomenon. In this paper, we provide a periodically driving method for engineering an anisotropic Dicke model with strong dipole-dipole interaction between atoms based on Rydberg atom arrays in cavity. By modulating the pumping laser, the ratio of counter-rotating wave terms to rotating ones could be tuned from zero to infinity. As an illustrative example, the superiority of this tunability in the adiabatic state preparation is revealed. Our engineered model provides an extensive foundation for subsequet research of quantum simulation, many-body physics and even information processing. I. INTRODUCTION As one of correlated many-body systems, the light-matter interaction problem has attracted considerable attention and has been actively investigated over many decades[1, 2]. It is desired to capture the underlying physics of such issues. The Dicke model was proposed in 1973 by K.Hepp and E.H.Liep[3], and describes a large number of two-level atoms coupled to a single mode of a quantized radiation field. When the coupling strength is much smaller than the mode fre- quency, there is a simplified scenario. Neglecting the counter- rotating wave(CRW) terms, the reduced Tavis-Cummings model [4–8] exhibits excitation number conservation. On the other hand, if the rotating wave approximation (RWA)[9] fails and the system reaches the strong coupling regime[10–13], the full quantum Dicke model[14–19] is necessary. The investiga- tion of CRW terms illustrates that many interesting quantum effects [20–26] can be induced, such as non-classical states preparation[27], three-photon resonances[28], the deteriora- tion of photon blockade effect[29, 30], and so on. Recently, the generalized Dicke model, named the anisotropic Dicke model (ADM)[31–34], has sparked consid- erable research interest, whose impressive feature is the dif- ferent coupling strengths for the rotating wave (RW) terms and CRW terms. Because of these intriguing properties, it has been employed to investigate a range of theoretical topics, including quantum phase transitions[35, 36], critical behaviors[36] and Floquet heating[37]. For example, excit- ing research results indicate that the ADM exhibits not only a phase transition from the normal phase to the superradi- ant(SR) phase but also ergodic to nonergodic transitions[38]. It is noteworthy that the observation of those intriguing physi- cal phenomena of such ADM largely relies …더보기
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공동 Bao-Yun Dong1,2, Yanhua Zhou4,5, Wei Wang1,2, * 및 Tao Wang1,3 † 1 물리학과 및 Chongqing Key Laboratory, Chongqing University, Chongqing University, Chongqing University, 401, Chongqing Key Laboratory에서 Cavity Bao-Yun Dong1,2, Yanhua Zhou4,5, wei wang1,2, ace 및 tao wang1,3 † wang1,3 † 1,2,3 † wang1,3 † 1,3 † 1,2,3 † wang1,3 † 1,2,3 † 1,3 † 1,2,3 † 1,3 † wang1,2 2 213300, 213300, Chongqing University의 스마트 시티 연구소, 213300, Chongqing University, Chongqing University, Chongqing University, Chongqing University, Chingqing University, 중국 과학 센터, 중국 710600, XI’AN 710600, XI’AN 710600, 중국 과학, Astronomy University of Astronomy, Beijing, Beijing, Beijing, Beijing, Beijing 1,000, 중국 과학 아카데미, 중국 과학 아카데미 중국 이방성 Dicke 모델은 반 회전파 용어가 빛과 두 레벨 원자 사이의 커뮤니케이션에서 수행하는 중요한 역할을 보여줍니다. 원자 상호 작용과 광 원자 커플 링 사이의 경쟁이 이국적인 영상을 유발하는 많은 신체 케이스에 모델을 생성하는 것은 흥미 롭습니다. 이 논문에서는 캐비티의 Rydberg 원자 어레이에 기초한 원자들 사이의 강한 쌍극자 쌍극자 상호 작용으로 이방성 Dicke 모델을 공학하기위한 주기적으로 주도적 인 구동 방법을 제공한다. 펌핑 레이저를 조절함으로써, 카운터 회전파 항에 대한 비율과 회전 용어의 비율은 0에서 무한대로 조정될 수 있습니다. 예시적인 예로서, 단열 상태 제조 에서이 조정 성의 우수성이 밝혀졌다. 우리의 엔지니어링 모델은 양자 시뮬레이션, 많은 바디 물리학 및 정보 처리에 대한 후속 연구를위한 광범위한 기반을 제공합니다. I. 소개 상관 관계가있는 많은 신체 시스템 중 하나 인 가벼운 상호 작용 문제는 상당한 관심을 끌었으며 수십 년에 걸쳐 적극적으로 조사되었습니다 [1, 2]. 그러한 문제의 기본 물리학을 포착하는 것이 바람직합니다. Dicke 모델은 1973 년 K.Hepp 및 E.H.LIEP [3]에 의해 제안되었으며, 양자화 된 방사선 필드의 단일 모드에 결합 된 다수의 2 레벨 원자를 설명합니다. 커플 링 강도가 모드 분리보다 훨씬 작은 경우 단순화 된 시나리오가 있습니다. CRW (Conferting Wave) 용어를 무시하면 감소 된 Tavis-Cummings 모델 [4–8]은 흥분 번호 보존을 나타냅니다. 한편, 회전파 근사화 (RWA) [9]가 실패하고 시스템이 강한 커플 링 체제 [10-13]에 도달하면 전체 양자 Dicke 모델 [14–19]이 필요하다. CRW 용어의 조사는 비전문적 상태 준비 [27], 3 광자 공명 [28], 광자 봉쇄 효과의 악화 [29, 30] 등의 많은 흥미로운 양자 효과 [20-26]가 유도 될 수 있음을 보여줍니다. 최근 이방성 Dicke 모델 (ADM) [31-34]이라는 일반화 된 Dicke 모델은 고려 가능한 연구 관심사를 촉발 시켰으며, 인상적인 기능은 회전파 (RW) 용어와 CRW 용어의 다른 결합 강점입니다. 이러한 흥미로운 특성으로 인해 양자 상 전이 [35, 36], 비판적 행동 [36] 및 Floquet 가열 [37]을 포함한 다양한 이론적 주제를 조사하는 데 사용되었습니다. 예를 들어, 흥분된 연구 결과에 따르면 ADM은 정상 단계에서 초 드라 디아 (SR) 단계로의 위상 전이뿐만 아니라 에르고 드에서 비 신체 전이에 대해서도 나타납니다 [38]. 그러한 ADM의 흥미로운 물리 현상의 관찰이 크게 의존한다는 것은 주목할 만하다.
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