[論文レビュー] Quantum measurement induces a many-body transition

Michael S. Ferguson, Leon C. Camenzind+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 9, 2020

Quantum and electron transport phenomena参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、通常は軽微な摂動と見なされる量子測定のバックアクションが、二重量子ドット系の系の基底状態の電荷配置を変化させることで、多体遷移を引き起こす可能性があることを示している。電荷センサードットを用いて電子状態を測定することで、検出器に起因するバックアクションによって、より高エネルギーの電荷状態への遷移が観測された。この現象は、非理想な検出器のダイナミクスとスピン縮退効果を組み込んだ理論的モデルによって説明されている。

ABSTRACT

The current revolution in quantum technologies relies on the ability to isolate, coherently control, and measure the state of quantum systems. The act of measurement in quantum mechanics, however, is naturally invasive as the measurement apparatus becomes entangled with the system that it observes. Even for ideal detectors, the measurement outcome always leads to a disturbance in the observed system, a phenomenon called quantum measurement backaction. Here we report a profound change in the many-body properties of the measured system due to quantum measurements. We observe this backaction-induced transition in a mesoscopic double quantum-dot in the Coulomb-blockade regime, where we switch the electron population through measurement with a charge sensor dot. Our finding showcases the important changes in behaviour that can arise due to quantum detectors, which are ubiquitous in quantum technologies.

研究の動機と目的

• 非理想な量子測定のバックアクション（理想検出器のパラダイムを越えて）が、量子系の多体状態に与える影響を調査すること。
• 測定のバックアクションによって引き起こされる二重量子ドットの基底状態電荷配置の遷移を特定および特徴付けること。
• 検出器に起因するバックアクションによって生じる電荷安定性ダイアグラムの歪みを説明する理論的枠組みを構築すること。
• バックアクションの影響を受ける検出器のダイナミクス（広がりメカニズムやスピン縮退を含む）が観測された遷移の形状に果たす役割を調査すること。
• 量子検出器が非平衡環境として機能し、多体系における相転移を駆動できることを確立すること。

提案手法

• クーロン遮断状態のメソスコピックな二重量子ドット（DD）を用い、リードへのトンネル結合と、実時間での電荷状態モニタリングを可能にする近接した電荷センサードット（CSD）を備える。
• CSDに測定バイアス電圧 $V_{\rm M}$ を印加し、静電的結合と電子トンネル過程を通じてDDにバックアクションを引き起こす。
• 異なる $V_{\rm M}$ と温度 $T$ の下でDDの電荷安定性ダイアグラムを測定し、電荷状態間の境界に生じる歪みを観測する。
• 広がりのある遷移レートを含むレート方程式を用いてバックアクションをモデル化し、検出器の応答関数にローレンツ型およびガウス型の両方を組み込む。
• レート方程式にスピン縮退を組み込み、観測された「S」字型特徴における粒子・ホール対称性の破れに与える影響を評価する。
• パラメータ $\chi^\mathrm{G} = 0.099$ および $\xi^\mathrm{G} = 0.084U$ を用いて実験データにモデルをフィットさせ、検出器に起因する広がりと非対称性を調整する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子測定のバックアクションは、二重量子ドット系において、明確に区別できる多体相状態間の遷移を引き起こすことができるか？
• RQ2 非理想な検出器（特にそのバックアクション）の性質が、二重量子ドットにおける観測された電荷配置にどのように影響を与えるか？
• RQ3 スピン縮退は、安定性ダイアグラムの測定された「S」字型特徴における粒子・ホール対称性の破れに、どのように寄与しているか？
• RQ4 異なる広がりメカニズム（ローレンツ型対ガウス型）が、遷移領域の形状と非対称性に与える影響は何か？
• RQ5 観測されたバックアクションに起因する遷移は、検出器のダイナミクスと非平衡効果を考慮した理論的モデルによって定量的に記述可能か？

主な発見

• 量子測定のバックアクションにより、低エネルギー電荷配置から高エネルギー電荷配置への遷移が引き起こされ、二重量子ドットの電荷安定性ダイアグラムの歪みとして裏付けられている。
• 測定バイアス $V_{\rm M} = 75\,\mu\mathrm{V}$ のとき、ドット間トンネルが抑制され、バックアクション効果が顕在化する。この電圧では、より高い $V_{\rm M}$ のときには観測されないバックアクション効果が確認された。
• バックアクションが存在しない状況ではエネルギー的に不利な状態に、系が優先的に励起されていることが示され、これは、励起状態への人口スイッチングを予測する理論と整合的である。
• スピン縮退は、観測された「S」字型特徴における粒子・ホール非対称性の主要因であると特定され、ローレンツ型広がりではガウス型広がりよりも強い効果を示した。
• データから、検出器の応答関数はローレンツ型よりも鋭い尾部を持つことが示唆され、非対称性が広がりタイプに依存することから明らかになった。
• パラメータ $\chi^\mathrm{G} = 0.099$ および $\xi^\mathrm{G} = 0.084U$ を用いたモデルが実験データにフィットした。後者の値は予想される値（$\sim 1\,\mu\mathrm{eV}$）よりも顕著に大きく、強い非理想バックアクション効果が存在することを示している。