[論文レビュー] Dynamic entanglement in oscillating molecules

Jianming Cai, Sandu Popescu+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2008

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、静的エンタングルメントが通常は崩壊するであろう高温でノイズの多い環境に結合された二スピン分子が、振動運動を経験する場合、エンタングルメントが持続的に再発することが示されている。振動駆動により系は熱的平衡に達しなくなり、環境ノイズはエンタングルメントを破壊するのではなく、周期的に系をリセットすることで、ダイナミック安定化によって持続的なエンタングルメント再発を可能にする。

ABSTRACT

We demonstrate that entanglement can persistently recur in an oscillating two-spin molecule that is coupled to a hot and noisy environment, in which no static entanglement can survive. The system represents a non-equilibrium quantum system which, driven through the oscillatory motion, is prevented from reaching its (separable) thermal equilibrium state. Environmental noise, together with the driven motion, plays a constructive role by periodically resetting the system, even though it will destroy entanglement as usual. As a building block, the present simple mechanism supports the perspective that entanglement can exist also in systems which are exposed to a hot environment and to high levels of de-coherence, which we expect e.g. for biological systems. Our results furthermore suggest that entanglement plays a role in the heat exchange between molecular machines and environment. Experimental simulation of our model with trapped ions is within reach of the current state-of-the-art quantum technologies.

研究の動機と目的

• 高デコherence環境にさらされた非平衡量子系においてエンタングルメントが生存可能かどうかを調査すること。
• 振動運動が熱化を防ぎ、量子相関を保持するメカニズムを解明すること。
• 通常は有害とされる環境ノイズが、エンタングルメントの再発にどのように建設的役割を果たすかを検討すること。
• 静的エンタングルメントが不可能な系において、再発的エンタングルメントを実現するメカニズムを提案すること。
• 生物学的系や分子マシンに類似した系におけるエンタングルメントの基盤を構築すること。

提案手法

• 振動運動によって駆動される非平衡量子系として、熱いバスタッチに結合された二スピン分子をモデル化する。
• 開いた量子系理論を用いて、コherent駆動と環境ノイズの両方の影響下でのダイナミクスを記述する。
• concurrenceなどの測定を用いてエンタングルメントの時間発展を分析し、デコherenceにもかかわらず再発する様子を追跡する。
• 振動駆動が系が分離可能な熱的平衡状態に達することを防ぐ条件を同定する。
• 環境ノイズは通常は破壊的であるが、周期的に系の状態をリセットすることでエンタングルメントの再生を可能にすることを示す。
• 現在の量子技術で実現可能なトラップイオンを用いた実験的実装を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温でノイズの多い環境に結合された分子系において、エンタングルメントを維持できるか？
• RQ2 振動運動が系の熱的平衡に達することを防ぎ、結果としてエンタングルメントを保持する仕組みは何か？
• RQ3 通常は破壊的とされる環境ノイズが、どのようにエンタングルメントの再発に寄与するか？
• RQ4 ダイナミック駆動が、開放系における量子相関を安定化する役割を果たすメカニズムは何か？
• RQ5 このメカニズムは、現在の量子技術で実験的に実現可能か？

主な発見

• 静的エンタングルメントが環境ノイズのため不可能な状況下でも、振動する二スピン分子においてエンタングルメントが周期的に再発する。
• 振動運動により、系は分離可能な熱的平衡状態に達することを防ぎ、持続的な量子相関が維持される。
• 環境ノイズは通常は有害であるが、周期的に系の状態をリセットすることで建設的役割を果たす。
• このメカニズムにより、生物学的系に予想されるような高デコherence環境でもエンタングルメントの実現が可能であると示唆される。
• トラップイオンを用いた実験的実装が可能であり、現在の量子技術でこの系をシミュレートできる。
• 結果から、分子マシンとその環境との間の熱交換プロセスにおいてエンタングルメントが機能的役割を果たす可能性があると示唆される。