[論文レビュー] Breaking strong symmetries in dissipative quantum systems: the (non-)interacting bosonic chain coupled to a cavity

Catalin-Mihai Halati, Ameneh Sheikhan+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2021

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、光キャビティに結合された散逸的ボソン系鎖における強い対称性を調査し、保存則に起因するため、理想ボソンが複数の安定状態を示すことを示している。断熱的消去法と行列積状態法を用いて、微小な対称性の破れですら、直接的に一意の安定状態への遷移を引き起こし、個々の軌道が対称性保護の痕跡を保持する散逸的凍結（dissipative freezing）を特定している。

ABSTRACT

In dissipative quantum systems, strong symmetries can lead to the existence of conservation laws and multiple steady states. The investigation of such strong symmetries and their consequences on the dynamics of the dissipative systems is still in its infancy. In this work we investigate a strong symmetry for bosonic atoms coupled to an optical cavity, an experimentally relevant system, using adiabatic elimination techniques and numerically exact matrix product state methods. We show the existence of multiple steady states for ideal bosons coupled to the cavity. We find that the introduction of a weak breaking of the strong symmetry by a small interaction term leads to a direct transition from multiple steady states to a unique steady state. We point out the phenomenon of dissipative freezing, the breaking of the conservation law at the level of individual realizations in the presence of the strong symmetry. For a weak breaking of the strong symmetry we see that the behavior of the individual trajectories still shows some signs of this dissipative freezing before it fades out for a larger symmetry breaking terms.

研究の動機と目的

• 散逸的量子系、特に光キャビティに結合されたボソン鎖における強い対称性の役割を調査すること。
• 実験的に関連性のある設定において、保存則と複数の安定状態がどのように強い対称性から生じるかを特定すること。
• 弱い対称性破れが安定状態の安定性および構造に与える影響を分析すること。
• 個々の軌道が対称性保護のダイナミクスを保持するが、全体として対称性が破れている状況下での散逸的凍結現象を調査すること。

提案手法

• ボソン鎖-キャビティ系の有効な低エネルギー記述を導出するために、断熱的消去法が用いられている。
• 開系のダイナミクスの数値的厳密なシミュレーションに、行列積状態法が用いられている。
• 強い対称性の下での系のダイナミクスと、それらを弱く破る制御された摂動の下でのダイナミクスが分析されている。
• 安定状態の解が計算され、その degeneracy（ degeneracy はそのままで）または一意性が、対称性破れの強さの関数として評価されている。
• 個々の量子軌道がシミュレートされ、散逸的凍結効果の出現と崩壊が研究されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い対称性は、キャビティに結合された散逸的ボソン系で、どのように複数の安定状態を生じさせるか？
• RQ2 強い対称性が弱く破られたとき、安定状態の多様体はどのように変化するか？
• RQ3 弱い対称性破れの下でも、個々の量子軌道が対称性保護の痕跡をどの程度保持するか？
• RQ4 散逸的凍結は、さまざまな対称性破れ強度で持続するか。また、その進化はいかなるものか？

主な発見

• 対称性破れのない状況では、系が保存量に起因するため、複数の安定状態を示す。
• 強い対称性を弱く破る微小な相互作用項が存在すると、中間相を経ることなく、複数の安定状態から一意の安定状態への直接的遷移が生じる。
• 散逸的凍結が観測される：全系の安定状態が一意であっても、個々の軌道が保存量の記憶を保持する。
• 対称性破れ項が強くなるにつれて、散逸的凍結の痕跡が薄れていくことから、対称性破れダイナミクス領域への遷移が示唆される。