Kohärenter, zeitabhängiger periodischer Austausch von Besetzung zwischen zwei Quantenzuständen eines getriebenen Zwei-Niveau-Systems, hervorgerufen durch eine resonante oder nahezu resonante oszillierende Kopplung zwischen den Niveaus.

Prinzip

Ein klassisches oder quantisiertes treibendes Feld koppelt die beiden Niveaus, sodass sich die Wahrscheinlichkeitsamplituden auf der Bloch-Kugel drehen; bei vernachlässigbarer Dekohärenz zeigen die Populationsanteile sinusförmige ‚Flops‘ mit der durch Kopplung und Detuning bestimmten Rabi-Frequenz.

Demonstration

Ein Zwei-Niveau-Atom, das von einem resonanten monochromatischen Feld beleuchtet wird: Befindet es sich zunächst im Grundzustand, gilt die Anregungsbesetzung P_e(t) = (Ω^2/(Ω^2+Δ^2)) sin^2[(1/2)√(Ω^2+Δ^2) t] (in Rotating-Wave-Approximation), mit vollständigen Oszillationen bei Resonanz (Δ = 0) und Periode 2π/Ω.

Fehlanwendung

Jeden oszillatorischen Transienten in einem Mehrniveausystem oder stark gedämpften System als Rabi-Oszillation zu deuten, ohne die Gültigkeit der Zwei-Niveau-Näherung, der Rotating-Wave-Approximation und die Wirkung von Dissipation zu prüfen.

Konsequenz

Richtig erkannt und gesteuert liefern Rabi-Oszillationen einen direkten Weg zur kohärenten Populationsübertragung, präzisen Quantenzustandssteuerung und Ein-Qubit-Gates mit Zeiten, die durch die Rabi-Periode vorgegeben sind.

Umkehrung

Bei inkohärentem oder stark verrauschtem Antrieb relaxiert dasselbe System gegen eine stationäre Besetzung (Sättigung) ohne anhaltende sinusförmige Oszillationen; Populationsänderungen werden monoton oder stochastisch statt periodisch.

Abgrenzung

Gilt für Systeme, die gut als Zwei-Niveau-System unter kohärentem Antrieb beschrieben werden können; schließt Dynamiken aus, die von vielen dicht liegenden Niveaus, ultrastrongem Kopplung jenseits der Rotating-Wave-Approximation oder von Dissipationszeiten, die kürzer als die Oszillationsperioden sind, dominiert werden.

Semantische Spannung

Leicht verwechselbar mit Frequenzbereichsphänomenen wie Rabi-Splitting oder dem Mollow-Triplet: Rabi-Oszillationen sind eine zeitliche Kohärenzbewegung der Population, Rabi-Splitting dagegen eine Signatur im Frequenz- bzw. Eigenenergie-Bereich.

Synthese

Rabi-Oszillationen fassen zusammen, dass ein kohärentes Antriebsfeld eine deterministische Rotation der Amplituden eines Zwei-Niveau-Zustands erzeugt und so ein periodischen Populationsaustausch hervorruft, wobei Amplitude und Frequenz die Antriebsstärke und das Detuning kodieren, sofern Kohärenz überwiegt.