[論文レビュー] Dissipative many-body physics of cold Rydberg atoms

O. Morsch, Igor Lesanovsky|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2018

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 49被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、冷たいラビング原子における散逸的多体ダイナミクスを調査し、非摂動的励起と自発的放出が運動的制約および非平衡相転移を引き起こすことを示している。また、ラビングガスが、一次元吸収状態転移を含む古典的・量子的多体現象をチューニング可能なプラットフォームとして機能することを示しており、古典的ベンチマークを用いた量子シミュレータの妥当性検証の可能性を示している。

ABSTRACT

In the last twenty years, Rydberg atoms have become a versatile and much studied system for implementing quantum many-body systems in the framework of quantum computation and quantum simulation. However, even in the absence of coherent evolution Rydberg systems exhibit interesting and non-trivial many-body phenomena such as kinetic constraints and non-equilibrium phase transitions that are relevant in a number of research fields. Here we review our recent work on such systems, where dissipation leads to incoherent dynamics and also to population decay. We show that those two effects, together with the strong interactions between Rydberg atoms, give rise to a number of intriguing phenomena that make cold Rydberg atoms an attractive test-bed for classical many-body processes and quantum generalizations thereof.

研究の動機と目的

• コherentなダイナミクスが存在しないにもかかわらず、冷たいラビングガスにおける古典的多体現象を調査すること。
• ラビング-ラビング相互作用およびレーザー周波数オフセットに起因する運動的制約を特定し、実験的に確認すること。
• 自発的放出が励起の運動的制約と競合する非平衡相転移（吸収状態ダイナミクスに支配される）を調査すること。
• 冷たいラビングガスを、ガラスの形成や疫学的拡散といった古典的非平衡現象をシミュレートするためのテストベッドとして確立すること。
• 系のパrameterを制御的に変化させることで、非摂動的古典的シミュレーションと摂動的量子シミュレータを結びつける基盤を構築すること。

提案手法

• 非摂動的駆動および自発的放出を含むマスター方程式を用いて、ラビング励起ダイナミクスをモデル化する。
• 平均場近似を用いて定常状態の占有数方程式を導出し、臨界駆動強度 Ωc = κ/√2 を特定する。
• 完全に摂動的極限における相転移の一次的性質を検証するため、量子ジャンプモンテカルロシミュレーションを用いる。
• 運動的制約（ブロッキング）と占有数の崩壊の競合を分析し、吸収状態相転移を同定する。
• 場の理論的手法を用いて相転移を特徴づけ、摂動的領域における一次的性質を確認する。
• 脱励起技術を用いてコherence時間や崩壊率を増加させることで、摂動的極限にアクセスする実験的手順を設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強い相互作用およびレーザー周波数オフセットによって、散逸的ラビングガスに運動的制約がどのように生じるか？
• RQ2 励起と崩壊が競合するラビング系において、活性状態と吸収状態の間の相転移の性質は何か？
• RQ3 冷たいラビングガスは、ガラスの形成や疫学的拡散といった古典的非平衡現象をシミュレートできるか？
• RQ4 相転移の一次的性質が定常状態占有数にどのように現れ、二次相転移とはどのように異なるか？
• RQ5 量子シミュレーションに必要な摂動的領域にアクセスするための実験的条件は何か？また、古典的シミュレーションは量子結果をどのように検証できるか？

主な発見

• ラビングガスにおける運動的制約は、強く相関した空間的に不均一な緩和ダイナミクスを生じさせ、ガラス的挙動を模倣する。
• 臨界駆動強度 Ωc = κ/√2 で一次吸収状態相転移が発生し、定常状態占有数 n_ss に不連続なジャンプが観測される。
• Ω ≥ Ωc の場合の安定な定常状態占有数は n_ss = (1/4)[1 + √(1 + γ²/(8Ω²))] で与えられ、転移点で n_ss = 0 に滑らかに接続しない。
• 量子ジャンプモンテカルロシミュレーションにより、相転移の一次的性質が解析的予測と整合することが確認された。
• 現在の技術で、数マイクロ秒程度のコherence時間と強化された崩壊率を用いることで、量子シミュレーションに必要な摂動的極限に到達可能である。
• 非摂動的古典的ダイナミクスと摂動的量子シミュレーションの間の接続は、古典的に取り扱える領域を用いて大規模量子シミュレータの妥当性を検証する道筋を提供する。