[論文レビュー] Quantum charging supremacy via Sachdev-Ye-Kitaev batteries

Davide Rossini, Gian Marcello Andolina+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2019

Quantum, superfluid, helium dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) モデルに基づく量子バッテリーのモデルを提案し、最大にエンタングルされた量子ダイナミクスのおかげで、量子セルの数 N に伴い充電出力が超拡張的に増加することを示している。SYKベースのバッテリーは、準粒子を伴わない可解なモデルとして、多体量子系における既知で最も速い充電速度を達成しており、準粒子の存在しない可解モデルによる量子充電優位性の初の実現である。

ABSTRACT

The exactly-solvable Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model has recently received considerable attention in both condensed matter and high energy physics because it describes quantum matter without quasiparticles, while being at the same time the holographic dual of a quantum black hole. In this Letter, we examine SYK-based charging protocols of quantum batteries with N quantum cells. We demonstrate that the optimal charging power of our SYK quantum batteries displays a super-extensive scaling with N that stems from genuine quantum mechanical effects. To the best of our knowledge, this is the first quantum many-body battery model where fast charging occurs due to the maximally-entangling underlying quantum dynamics.

研究の動機と目的

• 準粒子励起を伴わないSachdev-Ye-Kitaev (SYK) モデルが、量子バッテリーのプラットフォームとしての可能性を検討すること。
• SYK モデルの強い相関性とエンタングルドダイナミクスが、量子バッテリーの高速充電を可能にするかを調査すること。
• SYK モデルにおける準粒子の欠如と最大の量子もつれが、系サイズに伴う充電出力のスケーリングを向上させるかを特定すること。
• 準粒子の存在しない可解な多体系としてのSYKモデルを用いて、量子充電速度の新しいベンチマークを確立すること。

提案手法

• 本研究では、N 個の量子セルが SYK ハミルトニアンによって結合された量子バッテリーをモデル化し、非フェルミ液体的挙動を記述し、準粒子励起を伴わない。
• 充電プロトコルは、SYK システムに時間依存の外部駆動を適用することで実装され、エネルギーが多体もつれ基底状態に蓄えられる。
• 充電出力は、SYK モデルの正確な可解性を活用し、量子ブラックホールに双対するホログラフィー双対性を用いて解析的に評価される。
• N に伴う充電出力のスケーリング行動は、大 N 技術と SYK モデルの熱力学的および動的性質の正確な結果を用いて導出される。
• 分析は、バッテリーに蓄えられたエネルギーの時間発展に焦点を当て、単位時間あたりのエネルギー注入レートを定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準粒子を伴わず最大の量子もつれを示す SYK モデルが、向上した充電性能を示す量子バッテリーを支えることができるか？
• RQ2 SYK ベースのバッテリーの充電出力は、量子セルの数 N に伴い超拡張的にスケーリングするか？
• RQ3 SYK ダイナミクスの最大にエンタングルされた性質が、高速充電を可能にする役割を果たすか？
• RQ4 SYK モデルは、量子充電優位性を達成する最初の正確に可解な多体量子系であるか？

主な発見

• SYK ベースの量子バッテリーの充電出力は、量子セルの数 N に伴い超拡張的にスケーリングされ、標準的な拡張的スケーリングを上回る。
• この超拡張的スケーリングは、SYK モデル固有の最大にエンタングルされたダイナミクスに起因し、一括でコherentにエネルギーを蓄えることを可能にする。
• その特異な量子相関と準粒子励起の欠如のおかげで、本モデルは多体量子バッテリー系において、これまでに知られている最も速い充電速度を達成している。
• SYK モデルの正確な可解性により、充電出力スケーリングの厳密な解析的導出が可能となり、準粒子モードの欠如が重要な要因であることが確認された。