在量子電動力學(xué)（QED）中，量規(guī)的選擇（即用來調(diào)節(jié)自由度的特定數(shù)學(xué)形式）可以極大地影響光與物質(zhì)相互作用的形式。然而有趣的是，“規(guī)范不變性”原則意味著所有物理結(jié)果都應(yīng)該獨立于研究者對規(guī)范的選擇。

量子Rabi模型常被用來描述腔-量子電動力學(xué)中光與物質(zhì)的相互作用，但在超強光-物質(zhì)耦合存在的情況下，它被發(fā)現(xiàn)違反了這一原則，過去的研究將這一失敗歸因于物質(zhì)系統(tǒng)的有限級截斷。

日本理研所、意大利墨西拿大學(xué)和美國密歇根大學(xué)一組研究人員對這一課題進行了進一步的研究。其研究成果發(fā)表在《自然物理》上，研究確定了這種違反規(guī)范的根源，并提供了一種方法，在截斷的希爾伯特空間中推導(dǎo)出光-物質(zhì)哈密頓函數(shù)，即使在極端光-物質(zhì)相互作用的情況下，這種方法也能產(chǎn)生測量不變的物理結(jié)果。開展這項研究的研究人員之一薩爾瓦托·薩瓦斯塔說：在過去的十年里，光和物質(zhì)之間的超強耦合已經(jīng)從一個理論概念轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€實驗現(xiàn)實。

這是一種新的量子光-物質(zhì)相互作用機制，它超越了弱耦合和強耦合，使耦合強度與系統(tǒng)中的躍遷頻率相當(dāng)。這些機制，除了帶來有趣的新物理效應(yīng)，以及許多潛在的應(yīng)用，還代表著加深我們對光與物質(zhì)相互作用微妙方面理解的機會。在參與這項研究的弗朗哥·諾里教授組織的一次活動中，團隊其他成員了解到有兩份手稿的存在，表明量子Rabi模型的規(guī)范不變性崩潰了。當(dāng)考慮兩能級系統(tǒng)與單模電磁諧振器在強原子場相互作用下的相互作用時，發(fā)生了這種擊穿。

由于人們對腔量子電動力學(xué)（QED）超強耦合機制的興趣迅速增加，而且規(guī)范對稱性是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，認為這種情況非常不令人滿意。這些測量的模糊性決定了量子光學(xué)和量子技術(shù)的核心領(lǐng)域——腔QED的關(guān)鍵模型部分缺乏可預(yù)測性。當(dāng)作者開始討論這些問題時，Savasta突然想起了他的第一篇研究論文，以及論文導(dǎo)師Raffaello Girlanda與Antonio Quattropani和Paolo Schwendimann合作完成的一項更早研究。在這篇特別研究論文中，研究人員指出：

為了保持固體中多光子躍遷率的規(guī)范不變性，需要在標(biāo)準(zhǔn)的電子-光子相互作用中加入一個修正項。開始將這些想法應(yīng)用到目標(biāo)上，目標(biāo)是推導(dǎo)出一個任意相互作用強度的光-物質(zhì)相互作用的量子描述，它將不受測量含糊不清的影響，盡管通常采用不可避免的近似來管理計算。在物理學(xué)中，“規(guī)范原理”指出，在物質(zhì)系統(tǒng)的哈密頓量中，每個動量分量都需要加上相應(yīng)的場坐標(biāo)分量，這個過程稱為“最小耦合替換”，研究是基于之前研究中收集到的觀察結(jié)果。

這些觀察結(jié)果表明，在描述物質(zhì)系統(tǒng)時，近似可以將原子局部勢轉(zhuǎn)換為非局部勢，而非局部勢可以根據(jù)位置和動量以量子算符的形式表示。在這種情況下，為了滿足測量原理，需要對電勢進行最小的耦合更換。研究使用了先前由一位作者開發(fā)的算子技術(shù)，它能夠正常工作，即使物質(zhì)系統(tǒng)的實際非局部電位未知。到目前為止，非局部勢對相互作用的影響只考慮到矢量勢的二階。發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物質(zhì)系統(tǒng)高度非線性和耦合強度非常高時，所有階數(shù)都必須包括在內(nèi)。該團隊進行的這項研究為量子電動力學(xué)領(lǐng)域提供了非常重要的見解。

首先，也是最重要的是，研究表明，有一種簡單的方法可以獲得光與物質(zhì)相互作用的量不變描述，盡管有近似和極端的相互作用強度，這種描述仍然有效。研究結(jié)果揭示了非擾動和極限相互作用機制中的規(guī)范不變性，并解決了量子Rabi和Dicke模型(多量子發(fā)射器的量子Rabi模型擴展)中規(guī)范模糊性引起的長期爭議。這樣一來，就可以對超長腔量子電動力學(xué)的實驗結(jié)果進行精確而明確的理論預(yù)測/描述。這組研究人員的發(fā)現(xiàn)加深了目前對光與物質(zhì)相互作用中微妙但相關(guān)的量子方面理解。

還可能有助于解決目前存在的爭議，以及過去在量子Rabi和Dicke模型中觀測到的規(guī)范模糊所引發(fā)的爭論。在未來，研究關(guān)注的極端機制可能會產(chǎn)生新的物理效應(yīng)和應(yīng)用，同時也會挑戰(zhàn)研究人員目前對腔隙- 量子電動力學(xué)的認識。當(dāng)相互作用強度如此之高時，諸如子系統(tǒng)及其量子測量的正確定義、混合光物質(zhì)基態(tài)結(jié)構(gòu)或依賴于時間相互作用的分析等基本問題就會產(chǎn)生歧義，甚至導(dǎo)致定性截然不同的預(yù)測。這些問題提供了一個前所未有的機會，進一步加深我們對光與物質(zhì)相互作用的量子方面理解。

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參考期刊《Nature Physics》

DOI: 10.1038/s41567-019-0534-4

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