[論文レビュー] Dynamical creation and detection of entangled many-body states in a chiral atom chain

Giuseppe Buonaiuto, Ryan Jones+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、波ガイドに結合されたキラル原子鎖におけるエンタングルド多体状態を動的に検出・特徴付けるために、ガイドモード内の光子カウント統計を用いる手法を提案する。発光した光子のスケーリングされた積率生成関数（SCGF）を分析することで、ダークエンタングルド状態が明らかになり、エンタングルド状態と混合状態の共存を含む複雑な動的挙動のイン・サイトプローブが可能になる。これは、ガイドされない光子放出といった実験的不確実性に対しても耐性を持つ。

ABSTRACT

Open quantum systems with chiral interactions can be realized by coupling atoms to guided radiation modes in waveguides or optical fibres. In their steady state these systems can feature intricate many-body phases such as entangled dark states, but their detection and characterization remains a challenge. Here we show how such collective phenomena can be uncovered through monitoring the record of photons emitted into the guided modes. This permits the identification of dark entangled states but furthermore offers novel capabilities for probing complex dynamical behavior, such as the coexistence of a dark entangled and a mixed phase. Our results are of direct relevance for current experiments, as they provide a framework for probing, characterizing and classifying dynamical features of chiral light-matter systems.

研究の動機と目的

• キラル原子鎖と波ガイドに結合されたエンタングルド多体状態を検出・特徴付けるための手法を開発すること。
• それらの状態がデコherence保護によって測定が困難であるため、実験的課題としてのダークエンタングルド状態の同定に取り組むこと。
• 特にエンタングルドダーク位相と混合位相の共存を含む、キラル光物質系の動的挙動を調査すること。
• ガイドされないモードへの放射といった現実的な不確実性の下でも、これらの検出手法のロバストネスを評価すること。
• 量子シミュレーションや情報処理への応用を想定し、光子放出統計と原子鎖の基底量子状態を結びつけるフレームワークを確立すること。

提案手法

• 本研究では、波ガイドの左・右のガイドモードに放出される光子のカウント統計を解析するために、スケーリングされた積率生成関数（SCGF）形式を用いる。
• SCGFを用いてバイアス付き量子状態を抽出し、光子カウント下での有効なダイナミクスを明らかにすることで、ダーク位相および混合位相の同定が可能になる。
• リンドブラッドマスター方程式を用いて、原子鎖の開放量子ダイナミクスをモデル化し、コherentレーザー駆動、ガイドモードを介したキラル電気双極子相互作用、およびガイドされないモードへの自発的放射を含む。
• 大偏差原理を用いて、光子統計と多体系の定常状態特性を結びつける。
• 異なる多体位相を調べるために、均一なおよび交互のデチューニングパターンの両方を用いた数値シミュレーションを実施する。
• 特徴的な光子放出レートとバイアス付き状態の純度が、ダークエンタングルド状態または位相共存の存在を直接示すため、手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガイドモード内での光子カウント統計を用いて、キラル原子鎖におけるエンタングルド多体状態を検出・特徴付けることができるか？
• RQ2 SCGF形式は、ダークエンタングルド状態およびその動的フラクチュエーションの同定をどのように可能にするか？
• RQ3 ガイドされない光子放出が実験的不確実性として導入された場合、エンタングルド状態の検出にはどのような影響が生じるか？
• RQ4 ダークエンタングルド位相と混合位相の共存を、光子統計を通じて観測・特徴付けることができるか？
• RQ5 交互なデチューニングと均一なデチューニングの両方の条件下で、系の動的挙動はどのように変化するか？

主な発見

• 光子放出のSCGFは、ダークエンタングルド位相と混合位相の間で鋭い転移を示し、前者は純粋なデュオプル状態に対応する。
• 均一なデチューニングの場合、系は明確な位相転移を示す：ダーク状態は安定的で、光子統計により検出可能であるが、$Γ$ の増加に伴い、SCGFの鋭い特徴が徐々に抑制される。
• 交互のデチューニングの場合、ガイドされない放射が存在する中で、純粋なデュオプルダーク状態は、間欠的光子放出ダイナミクス内のフラクチュエーションとしてのみ出現するが、定常状態は混合状態になる。
• バイアス付き状態の純度は、ガイドされない放射率の増加に伴い低下し、混合位相への遷移を示唆するが、SCGFの特徴的な構造は動的共存の兆候として依然として残存する。
• 交互のデチューニングの場合、$Γ$ が小さいとき、光子放出記録に間欠的挙動が観測され、これはダークエンタングルド位相と混合位相の共存の直接的な実験的兆候である。
• ダークデュオプル状態の解析的形は $\rho_{\mathrm{dimer}} = \bigotimes_{j=1}^{N/2} \ket{D}_{2j-1,2j}\bra{D}$ として導出され、ここで $\ket{D} \propto \ket{gg} + \beta(\ket{ge} - \ket{eg})$、$\beta = -2\Omega/(2\delta + i\Delta\gamma)$ である。