Strong transitions driven by stohastic fields and open quantum systems dynamics

Abstract

This thesis explores aspects on two broad parts of the field of quantum system dynamics: the strong interaction between matter and stochastically fluctuating radiation and the dynamics of open quantum systems. Despite the substantial progress in the field of strong field quantum optics, several fundamental questions pertaining to the interplay between matter and stochastic radiation have remained unexplored, due to the lack of access to the requisite intensities within experimental setups, as well as the inherent inability to precisely control the statistical properties of radiation sources employed in these investigations. However, the landscape has undergone a dramatic transformation in recent years with the advent of high-intensity, short-wavelength sources such as free electron lasers (FELs), along with the development of methods enabling effective manipulation of the statistical properties of radiation and generation of non-classical quantum states of light. Given the above, in the first part of the thesis we investigated atomic transitions under strong driving using squeezed radiation and explored its effects on double optical resonance (DOR) in pump and probe setups. Additionally, we studied the phenomenon of electron-positron pair creation in presence of stochastic FEL radiation and explored the possibility of observing a non-linear enhancement of the process in the multi-photon regime due to photon correlation effects of the radiation. In the second part of the thesis, we analyzed various aspects, including qubit correlations in non-Markovian environments, fidelity of quantum state transfer in the presence of non-Markovian dissipation, new methods of quantitatively evaluating non-Markovianity in open quantum systems, the relationship between the Quantum Zeno effect and exceptional points in non-Markovian open quantum systems, as well as the phenomenon of single-resonance autoionization viewed from the perspective of non-Hermitian physics.

Η εν λόγω διατριβή συνεισφέρει στην μελέτη δύο μεγάλων πτυχών του τομέα της δυναμικής κβαντικών συστημάτων: στην ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ ύλης και στοχαστικής ακτινοβολίας και στη δυναμική ανοιχτών κβαντικών συστημάτων. Παρά την σημαντική πρόοδο του τομέα της κβαντικής οπτικής ισχυρών πεδίων, πολλά θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ ύλης και στοχαστικής ακτινοβολίας είχαν παραμείνει αναπάντητα, λόγω της απουσίας των απαιτούμενων εντάσεων στις πειραματικές διατάξεις, καθώς και της δυσκολίας ελέγχου των στατιστικών ιδιοτήτων της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται στις εν λόγω μελέτες. Παρ ’όλα αυτά το τοπίο έχει αλλάξει δραματικά τα τελευταία χρόνια χάρις την εξέλιξη πηγών ακτινοβολίας υψηλής έντασης και μικρού μήκους κύματος, όπως την ακτινοβολία από “free electron lasers” (FEL), καθώς και την ανάπτυξη μεθόδων που δίνουν την δυνατότητα ελέγχου των στατιστικών ιδιοτήτων της ακτινοβολίας και οδηγούν στην ικανότητα παραγωγής μη-κλασικών κβαντικών καταστάσεων φωτός. Εν όψει των παραπάνω, στο πρώτο μέρος της διατριβής μελετήσαμε ατομικές μεταβάσεις ισχυρά αγόμενες από “squeezed” ακτινοβολία και ανακαλύψαμε τις επιπτώσεις της στο φαινόμενο της “double optical resonance” σε διατάξεις “pump and probe”. Επιπλέον, μελετήσαμε το φαινόμενο δίδυμης γένεσης ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου στο κενό παρουσία στοχαστικής ακτινοβολίας FEL, και επιβεβαιώσαμε την πιθανότητα παρατήρησης ενός μη-γραμμικού παράγοντα ενίσχυσης της διαδικασίας λόγω των ιδιοτήτων συσχέτισης φωτονίων της ακτινοβολίας.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής ερευνήσαμε πολλαπλές πτυχές δυναμικής ανοιχτών κβαντικών συστημάτων, όπως συσχετίσεις “qubit” σε μη-Μαρκοβιανές δεξαμενές, την πιστότητα κβαντικής μεταφοράς καταστάσεων παρουσία τέτοιων δεξαμενών, νέες μεθόδους υπολογισμού του βαθμού μη-Μαρκοβιανότητας σε ανοιχτά κβαντικά συστήματα, την σχέση μεταξύ του κβαντικού φαινομένου Ζήνωνα και την παρουσία “exceptional points” σε μη-Μαρκοβιανά ανοιχτά κβαντικά συστήματα, καθώς και το φαινόμενο του αυτοϊονισμού ιδωμένο από την σκοπιά μη-Ερμιτιανής φυσικής.