旋转Frame下哈密顿量的表示
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
从薛定谔方程出发,
由于变换的幺正性,因此
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
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,
这里
- 第一项为:
- 第二项为
- 第三项为:
为了计算右边的式子:
我们只需要考虑不对易的量,比如 $\hat{\sigma}{+}
可知第 n 项为:
因此
同理由于
可知第 n 项为:
按照同样的做法,可以得到
这样就得到了:
因此最后的哈密顿量为
因此,对于Rotating Frame的哈密顿量,我们可以只关注
实际处理时,我们可能也会重新定义$\hat{U}1=e^{-i\hat{H}{\omega{e}}t/\hbar}
此时系统的哈密顿量应该表示为