Échange cohérent et périodique, dépendant du temps, de population entre deux états quantiques d'un système à deux niveaux excité, produit par un couplage oscillatoire résonnant ou quasi-résonnant entre ces niveaux.

Principe

Un champ d'excitation classique ou quantique couple les deux niveaux de sorte que les amplitudes de probabilité effectuent une rotation sur la sphère de Bloch ; lorsque la décohérence est négligeable, les populations effectuent des oscillations sinusoïdales (« flops ») à la fréquence de Rabi déterminée par le couplage et le désaccord.

Démonstration

Un atome à deux niveaux illuminé par un champ monochromatique résonnant : si l'atome est initialement à l'état fondamental, la population de l'état excité P_e(t) = (Ω^2/(Ω^2+Δ^2)) sin^2[(1/2)√(Ω^2+Δ^2) t] (dans l'approximation des harmoniques tournants), montrant des oscillations complètes à résonance (Δ = 0) avec une période 2π/Ω.

Mauvaise application

Interpréter toute oscillation transitoire dans un système à niveaux multiples ou fortement amorti comme des oscillations de Rabi sans vérifier l'approximation à deux niveaux, l'approximation des harmoniques tournants et le rôle de la dissipation.

Conséquence

Identifiées et contrôlées correctement, les oscillations de Rabi permettent le transfert cohérent de population, le contrôle précis d'états quantiques et la réalisation de portes qubit uniques dont la durée est fixée par la période de Rabi.

Inversion

Sous excitation incohérente ou bruit intense, le même système évolue vers une population en état stationnaire (saturation) sans oscillations sinusoïdales soutenues ; les variations de population deviennent monotones ou stochastiques plutôt que périodiques.

Limite

S'applique aux systèmes bien approchés par un modèle à deux niveaux sous excitation cohérente ; exclut la dynamique dominée par de nombreux niveaux proches, le couplage ultra-fort au-delà de l'approximation des harmoniques tournants, ou les régimes où les échelles temporelles de dissipation sont plus courtes que les périodes d'oscillation.

Tension sémantique

Peut être confondu avec des phénomènes en domaine fréquentiel comme la scission de Rabi ou le triplet de Mollow : les oscillations de Rabi sont un mouvement de population dans le domaine temporel, la scission de Rabi étant une signature dans le domaine de la fréquence ou des énergies propres.

Synthèse

Les oscillations de Rabi expriment l'idée qu'un champ cohérent induit une rotation déterministe des amplitudes d'un état à deux niveaux, produisant un échange périodique de population dont l'amplitude et la fréquence codent la force d'entraînement et le désaccord tant que la cohérence prévaut.