在量子光学中,我们会经常对哈密顿量作基矢变换,使得哈密顿量的形式更加简洁,比如Rotating Frame的变换,或这相互作用表象。我将在这个笔记中对这个变换作简单推导,并给出JC系统的例子来说明如何操作。

Rotating Frame可以看做是线性、幺正的基矢变换

Rotating Frame其实就是相当于做了一次线性的、幺正的基矢变换,假设这个变换表示为 ,那么在这个变换下,哈密顿量的变换过程为

从薛定谔方程出发,

由于变换的幺正性,因此,因此可以在薛定谔方程两边同时左乘,并在右边添加单位变换

根据求导规则

通过添加单位变换,并综合式子(3)可以得到

这里我们定义了新表象下的哈密顿量和量子态:

相互作用表象是一种特殊的基矢变换,即将哈密顿量分为两部分

原来的薛定谔方程在相互作用下表示为

这里

因此通过定义,就可以按照Rotating Frame的方式得到一样的结果

JC系统哈密顿量的Rotating Frame的推导

我们以JC系统的哈密顿量为例来说明:

可以分为耦合部分和非耦合部分,

按照 Rotating frame 的定义(注意我们这里对于算符的变换作了改变, 和前面 是等价的。

这里 ,我们需要分别计算上面等式右边的三项

  • 第一项为:
  • 第二项为
  • 第三项为:

为了计算右边的式子: ,需要用到下面的数学展开:

我们只需要考虑不对易的量,比如 $\hat{\sigma}{+}\hat{\sigma}{-}\hat{a}^{\dagger}\hat{a}e^{i \omega_0 \hat{a}^{\dagger} \hat{a} t} \hat{a} e^{-i \omega_0 \hat{a}^{\dagger} \hat{a} t}$ ,我们先要计算对易关系:

可知第 n 项为:

因此

同理由于

可知第 n 项为:

按照同样的做法,可以得到

这样就得到了:

因此最后的哈密顿量为

因此,对于Rotating Frame的哈密顿量,我们可以只关注,前两项始终会相互抵消,就像相互作用哈密顿量一样。

实际处理时,我们可能也会重新定义$\hat{U}1=e^{-i\hat{H}{\omega{e}}t/\hbar}\omega{e}$的频率下:

此时系统的哈密顿量应该表示为