[論文レビュー] Emergent dissipative quasi-particle picture in noninteracting Markovian open quantum systems

Federico Carollo, Vincenzo Alba|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2021

Quantum many-body systems参考文献 72被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、非相互作用のマコビアン開量子系における量子エントロピーのダイナミクスを記述するため、散逸的準粒子像を導入する。流体力学的概念を開放系へ拡張することで、散逸が存在する中でも準粒子の伝播を通じて相関が生じることを示し、混合状態における部分系エントロピーの効率的計算を可能にする。

ABSTRACT

Correlations between different regions of a quantum many-body system can be quantified through measures based on entropies of (reduced) subsystem states. For closed systems, several analytical and numerical tools, e.g., hydrodynamic theories or tensor networks, can accurately capture the time-evolution of subsystem entropies, thus allowing for a profound understanding of the unitary dynamics of quantum correlations. However, so far, these methods either cannot be applied to open quantum systems or do not permit an efficient computation of quantum entropies for mixed states. Here, we make progress in solving this issue by formulating a dissipative quasi-particle picture -- describing the dynamics of quantum entropies in the hydrodynamic limit -- for a general class of noninteracting open quantum systems. Our results show that also in dissipative many-body systems, correlations are generically established through the propagation of quasi-particles.

研究の動機と目的

• 散乱のない多体系の開系における量子エントロピーを効率的に計算するためのツールの不足に対処すること。
• 閉系で成功した流体力学的および準粒子フレームワークを、マコビアン散乱を伴う開量子系へと拡張すること。
• 非相互作用の開量子系における相関の時間発展を、出現する準粒子の伝播を通じて理解する一般枠組みを確立すること。
• マコビアンダイナミクス下での混合状態における部分系エントロピーの解析的および数値的計算を可能にすること。

提案手法

• 非相互作用のフェルミオン的またはボソン的自由度を用いて、開量子系の流体力学的極限記述を定式化する。
• 系内を伝播する有効準粒子励起状態を導出し、エントロピー動的に関する情報を運ぶ。
• 有効励起状態の伝播を通じて、時間発展した部分系エントロピーを準粒子像を用いて計算する。
• リンドブラドマスター方程式の構造を用いて、マコビアン散乱を特徴付け、準粒子伝播に与える影響を分析する。
• 系の非相互作用性に依存することで、エントロピー発展に対する正確または取り扱いやすい解を得られる。
• 散逸が存在する中での準粒子の空間的・時間的広がりとエントロピー動的の間の写像を確立する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マコビアン散乱を伴う開量子系へと流体的準粒子像を一般化することは可能か？
• RQ2 散逸が存在する中で、開量子多体系における相関はどのように時間発展するか？
• RQ3 どの程度までに、準粒子概念を用いて混合状態における部分系エントロピーを効率的に計算できるか？
• RQ4 散逸的過程は、準粒子による相関伝播の根本的メカニズムを変えるか？

主な発見

• 非相互作用のマコビアン開量子系において、散逸が存在する中でも、一般に準粒子の伝播を通じて相関が確立される。
• 散逸的準粒子像により、混合状態における部分系エントロピーの正確かつ効率的な計算が可能になる。
• このフレームワークは、閉系から開系への流体的直観を拡張し、準粒子がエントロピー動的において果たす役割を保ち続ける。
• 長波長およびゆっくり変化する振るまいが支配する流体力学的極限においても、このアプローチは有効である。