[論文レビュー] Dissipative generation of highly entangled states of light and matter

Catalin-Mihai Halati, Ameneh Sheikhan+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、鎖状に配置された超低温ボーズ粒子を有するキャビティ-QED系において、高エンタングル状態の散逸的生成を調査する。行列積状態および断熱消去技術を、グローバルキャビティ結合とオープン系ダイナミクスを含むように拡張することで、強い散逸が完全に混合された原子定常状態をもたらすことが明らかになった——これは平均場理論の予測とは著しく異なる。この結果は、自己組織化における多体デコherenceの役割を強調する。

ABSTRACT

We investigate the full quantum evolution of ultracold interacting bosonic atoms on a chain and coupled to an optical cavity. Extending the time-dependent matrix product state techniques and the many-body adiabatic elimination technique to capture the global coupling to the cavity mode and the open nature of the cavity, we examine the long time behavior of the system beyond the mean-field elimination of the cavity field. We investigate the many body steady states and the self-organization transition for a wide range of parameters. We show that in the self-organized phase the steady state consists in a mixture of the mean-field predicted density wave states and excited states with additional defects. In particular, for large dissipation strengths a steady state with a fully mixed atomic sector is obtained crucially different from the predicted mean-field state.

研究の動機と目的

• キャビティ結合を伴う超低温原子系における散逸の役割が、エンタングル多体状態をどのように生成するかを理解すること。
• オープン系ダイナミクスによって引き起こされる自己組織化相における平均場記述の破綻を調査すること。
• グローバルキャビティ結合と散逸が存在する中で、平均場理論の予測を超える定常状態の出現を探索すること。
• 自己組織化相における多体定常状態の構造を、欠陥状態や混合原子セクターを含めて特徴付けること。

提案手法

• グローバルキャビティ結合を含むオープン量子多体ダイナミクスをシミュレートするため、時間に依存する行列積状態技術の拡張。
• キャビティモードの完全な量子ダイナミクスと散逸を考慮するための多体断熱消去法の適応。
• 非マーカフ的および散逸的効果を捉えるために、キャビティのオープン性をシミュレーションフレームワークに統合。
• 長時間スケールの時間発展を数値的にシミュレートし、平均場近似を超える定常状態特性に到達すること。
• 定常状態密度行列の分析により、自己組織化相における混合状態および欠陥励起状態を同定すること。
• 散逸およびエンタングルメントによる偏差を定量化するため、結果を平均場予測と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い散逸は、キャビティ-QED構成における自己組織化多体系の定常状態構造をどのように変化させるか？
• RQ2 多体効果およびエンタングルメントは、原子定常状態の平均場予測をどの程度無効にするか？
• RQ3 キャビティ誘発散逸およびグローバル結合が、非自明な量子相関を生成する役割を果たすか？
• RQ4 強い散逸下で完全に混合された原子状態が定常状態として出現できるか？その coherence に与える影響は？
• RQ5 欠陥励起状態および励起状態は、自己組織化相における定常状態特性にどのように寄与するか？

主な発見

• 自己組織化相では、定常状態は純粋な平均場密度波ではなく、平均場状態と追加の欠陥を有する励起状態の混合である。
• 散乱強度が大きい場合、原子系は完全に混合された定常状態に達するが、これは平均場理論が予測する純粋状態とは根本的に異なる。
• 完全に混合された原子状態の出現は、強い散逸と多体デコherenceによって引き起こされる平均場記述の破綻を示している。
• 系は長時間ダイナミクスを示し、量子相関と散逸が共同で定常状態を形作り、平均場期待とは著しく異なる。
• グローバルキャビティ結合とオープン系効果を組み込むことで、従来の平均場または摂動的手法では捉えきれなかったより洗練された定常状態構造が明らかになった。