[論文レビュー] Dynamical engineering of squeezed thermal states

Léonce Dupays, Aurélia Chenu|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、調和振動子におけるユニタリおよびオープン量子系のダイナミクスの下で、断熱的遷移への短絡的手法を用いて、急速に圧縮された熱的状態を準備する動的工学的手法を提示する。逆断熱ハミルトニアンおよび特化した緩和器を導出することにより、制御された温度とエントロピーの下で任意の時間にそのような状態を生成可能であり、トラップイオン系におけるレーザー振幅、位相、および位相揺らぎの明示的解が、確率的に駆動されるラマン遷移を介して得られる。

ABSTRACT

Control protocols known as shortcuts to adiabaticity allow to drive a quantum system from an initial to a final state arbitrarily fast. These techniques have recently been proposed for open quantum systems, thus extending their application to allow for fast thermalization. Here, we engineer dynamical schemes for the fast preparation of squeezed thermal states at controlled temperature. We derive the equations of motion of squeezed thermal states in harmonic oscillators under unitary and open dynamics, allowing for temperature and entropy variations between the initial and final states. The counter-diabatic Hamiltonians and associated dissipators are provided, and whenever possible, given in a form relevant to experimental application.The technique is detailed in the setting of trapped-ion experiments with two-photon Raman interaction, where the desired open dynamics is obtained from stochastically shaking the trapping potential, or driving the system with a laser of stochastic amplitude. In this context, we find solutions for the control parameters---namely laser amplitude, phase, and dephasing strength---that allow creating a squeezed thermal state at controlled temperature in arbitrary time.

研究の動機と目的

• オープン量子系における圧縮された熱的状態を、高速かつ非断熱的プロトコルで準備するための手法の開発。
• 断熱的遷移への短絡的手法をオープン系に拡張し、迅速な熱化とエントロピー制御を可能にする。
• トラップイオンプラットフォームで実現可能な、実験的に関連する制御パラメータ（レーザー振幅、位相、位相揺らぎ）を提供する。
• ユニタリおよびオープン系の両方における圧縮された熱的状態の運動方程式を導出し、任意の初期および最終温度とエントロピーを許容する。
• 2光子ラマン遷移を用い、確率的に駆動される系を用いた実際のトラップイオン実験での実現可能性を示す。

提案手法

• ユニタリおよびオープン系における調和振動子の圧縮された熱的状態の運動方程式を導出し、温度とエントロピーの変動を組み込む。
• 高速な状態工学における断熱的励起を抑制するため、逆断熱ハミルトニアンを構築する。
• 目的のダイナミクスと整合する緩和器を設計し、所望の温度で迅速な熱化を可能にする。
• 制御プロトコルを実験的にアクセス可能なパラメータ（トラップイオン系におけるレーザー振幅、位相、位相揺らぎ強度）にマッピングする。
• 2光子ラマン遷移を介して、確率的に振動するトラップポテンシャルまたは確率的に駆動されるレーザーを用いて、所望のオープン系ダイナミクスを実現する。
• 任意の時間に目的の圧縮された熱的状態に到達するための制御パラメータの解析的解を提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 断熱的遷移への短絡的手法をオープン量子系に拡張することで、圧縮された熱的状態の高速準備が可能になるか？
• RQ2 特にハミルトニアンと緩和器として、任意の時間に圧縮された熱的状態に至らせるために必要な制御プロトコルは何か？その際、温度とエントロピーを制御可能である。
• RQ3 どのようにして、確率的に駆動されるラマン遷移を用いたトラップイオンのような実験的に実現可能なセットアップでダイナミクスを実現できるか？
• RQ4 任意の時間に目的の状態に到達するための明示的時間依存制御パラメータ（レーザー振幅、位相、位相揺らぎ）は何か？
• RQ5 高速なダイナミクス過程において、温度とエントロピーはどのように変化するか？それらは独立して制御可能か？

主な発見

• 本稿では、ユニタリおよびオープン系の両方における圧縮された熱的状態の正確な運動方程式が導出され、任意の初期および最終温度とエントロピーを許容する。
• 高速な状態工学における非断熱遷移を抑制するため、逆断熱ハミルトニアンが構築され、高精度な状態準備が保証される。
• 所望の温度で迅速な熱化を可能にするため、特化した緩和器が導出され、断熱的遷移への短絡的手法がオープン系に拡張される。
• トラップイオン系において、任意の時間に圧縮された熱的状態を準備できるように、レーザー振幅、位相、および位相揺らぎ強度の明示的解が提供される。
• 2光子ラマン遷移を用い、確率的に駆動されるレーザーまたは確率的に振動するポテンシャルを用いることで、本手法はトラップイオン実験で実現可能である。
• 本手法により、最終状態の温度と圧縮度の完全な制御が可能となり、遷移時間に制限がない。