V型三能级原子与亚谐波产生耦合腔中双模压缩光的量子特性研究

本研究针对量子光学系统中非经典光场调控难题，通过构建含亚谐波晶体的V型三能级原子-腔耦合模型，结合压缩真空库理论，揭示了原子-场耦合常数(g)与压缩参数(r)对双模光场光子数分布和正交压缩的调控规律。发现亚谐光增强可提升全局/局域光子数与压缩度，而腔衰变常数(κ)则呈现抑制作用，为量子精密测量和光通信器件设计提供了新思路。

　　

在量子光学领域，如何产生并操控具有非经典特性的光场一直是核心挑战。传统激光器产生的相干光受限于标准量子极限，而压缩光通过重新分配量子噪声，能在某一正交分量上突破这一限制，为引力波探测、量子通信等前沿应用提供了关键工具。特别是基于非线性光学过程的亚谐波产生和原子-腔相互作用系统，因其能产生强关联光子对而备受关注。然而，原子能级结构、环境噪声与非线性增益的协同效应对光场量子特性的影响机制尚不明晰。

针对这一科学问题，Gomera Biyazn和Misrak Getahun开展了一项创新研究，通过理论建模揭示了V型三能级原子与亚谐波产生协同作用下的双模光场量子特性调控规律。该工作发表在《Optik》期刊，首次系统分析了压缩真空库环境下原子-场耦合强度(g)、亚谐波增益(ε)与腔损耗(κ)等多参数对光场压缩度与光子数分布的动态影响。

研究采用量子主方程描述系统动力学，通过稳态期望值计算解析求解了腔模变量。关键技术包括：1) 构建含亚谐波晶体和V型原子(能级|a〉、|b〉→|c〉)的混合腔模型；2) 引入双模压缩真空库模拟环境噪声；3) 利用正交算符Δc_±
²
和光子数算符进行量子统计表征。

Hamiltonian and dynamics of the model
通过建立包含非线性晶体和V型原子的腔量子电动力学(QED)模型，推导出系统哈密顿量。其中原子与双模光场的耦合项g_a
、g_b
分别对应|a〉→|c〉和|b〉→|c〉的跃迁，亚谐波过程由参数ε描述。理论分析表明，原子初始相干叠加态的选择性布居会显著影响光子关联特性。

Mean photon number
解析计算显示：全局光子数〈n_tot
〉随亚谐波增益ε和压缩参数r呈线性增长，但受g和κ抑制。局域光子数〈n₁
〉、〈n₂
〉则额外受原子自发辐射γ影响，揭示环境噪声对模式间关联的破坏效应。

Global quadrature squeezing
正交分量方差分析发现：当r>0.5时，Δc₊
²
突破标准量子极限(Δc₊
²
<2)，实现35%的最大压缩度。值得注意的是，g的增大会削弱压缩效应，表明强耦合下原子退相干成为主要噪声源。

Conclusion
该研究首次阐明V型原子-亚谐波混合系统在压缩环境下的量子特性调控规律：1) 亚谐波增益与压缩库协同增强非经典效应；2) 原子-场耦合存在最优值(g≈0.2κ)；3) 环境噪声仅破坏局域光子统计而保持全局关联。这些发现为设计可调谐量子光源提供了理论依据，尤其在需要平衡光子产率与压缩度的量子传感应用中具有指导价值。作者特别指出，未来可通过优化原子注入速率和能级失谐来进一步提升系统性能。