[論文レビュー] Cavity Quantum Electrodynamics of Multipartite Systems

Moslem Alidoosty Shahraki, Sina Khorasani|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2012

Quantum Information and Cryptography参考文献 53被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、任意の数の発光子とキャビティモードを有する多粒子系に対して、近似を用いずに完全な場-ドライプおよびドライプ-ドライプ相互作用を組み込んだ、キャビティ量子電磁力学の数値的に正確な解を提示する。超強い結合では、弱い結合および強い結合領域とは異なり、混沌としたダイナミクスと急激な相転移が生じることを明らかにした。また、独自に開発した高精度なコードを用いて、高精度でスピンもつれ実験をシミュレート可能である。

ABSTRACT

Cavity quantum electrodynamics of multipartite systems is studied in depth, which consist of an arbitrary number of emitters in interaction with an arbitrary number of cavity modes. The governing model is obtained by taking the full field-dipole and dipole-dipole interactions into account, and is solved in the Schrodinger picture without assumption of any further approximation. An extensive code is developed which is able to accurately solve the system and track its evolution with high precision in time, while maintaining sufficient degrees of arbitrariness in setting up the initial conditions and interacting partitions. Using this code, we have been able to numerically evaluate various parameters such as probabilities, expectation values (of field and atomic operators), as well as the concurrence as the most rigorously defined measure of entanglement of quantum systems. We present and discuss several examples including a seven-partition system consisting of six quantum dots interacting with one cavity mode. We observe for the first time that the behavior of quantum systems under ultrastrong coupling is significantly different than the weakly and strongly coupled systems, marked by onset of a chaos and abrupt phase changes. We also discuss how to implement spin into the theoretical picture and thus successfully simulate a recently reported spin-entanglement experiment.

研究の動機と目的

• 任意の数の発光子とキャビティモードを含むキャビティ量子電磁力学に対して、完全に摂動論的でないフレームワークを構築すること。
• 近似を用いずに完全な場-ドライプおよびドライプ-ドライプ相互作用をモデル化し、高精度なダイナミクスを保証すること。
• 超強い結合領域におけるもつれや相転移などの複雑な量子現象をシミュレートすること。
• スピン自由度を理論的枠組みに組み込むことで、最近のスピンもつれ実験を正確にモデル化すること。

提案手法

• シュレーディンガー描像で動作する数値ソルバーを構築し、さらに近似を施さずに完全なハミルトニアンを解く。
• 初期条件および相互作用する部分系の分割にあたって、完全な任意性を維持する。
• 高精度で時間発展を追跡し、確率、場演算子および原子演算子の期待値、もつれの尺度としてのconcurrenceを計算する。
• 発光子およびキャビティモードの任意の配置をサポートするため、6ドット1モード構成のような複雑な系のシミュレーションが可能である。
• スピン自由度をモデルに統合し、スピンもつれ実験のシミュレーションを可能にする。
• concurrenceを厳密に計算し、異なる結合領域におけるもつれの度合を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超強い結合下における多粒子系キャビティQEDのダイナミクスは、弱い結合および強い結合領域と比べてどのように異なるか？
• RQ2 超強い結合系において、量子カオスおよび急激な相転移の兆候はどのようなものか？
• RQ3 摂動的近似を用いずに、完全なドライプ-ドライプおよび場-ドライプ相互作用を正確にシミュレートできるか？
• RQ4 最近のスピンもつれ実験をモデル化するにあたり、スピン自由度を理論的枠組みに一貫して組み込む方法は何か？
• RQ5 concurrenceで定量化されたもつれは、結合領域間の遷移を特徴付ける上で果たす役割は何か？

主な発見

• 超強い結合は、混沌としたダイナミクスと急激な相転移を引き起こし、弱い結合および強い結合領域とは明確に異なる挙動を示す。
• 系は非自明なもつれの時間発展を示し、concurrenceは量子相関の信頼できる指標として機能する。
• 6個の量子ドットが1つのキャビティモードに結合する7部分系のシステムを、高精度で正確にシミュレートした。
• スピン自由度がモデルに成功裏に統合され、最近報告されたスピンもつれ実験を正確に再現可能となった。
• すべてのドライプ相互作用を含む完全なハミルトニアンが近似なしに正確に解かれ、これまで観測されなかった動的特徴が明らかになった。