[論文レビュー] Quantum Phase Transitions in Spin-Boson Systems: Dissipation and Light Phenomena

Karyn Le Hur|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2009

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates参考文献 72被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、散乱、光・物質結合、量子もつれの相互作用に注目し、スピン・ボソン系における量子臨界現象を調査する。さまざまなスピン・ボソンハミルトニアンを比較し、相転移における普遍的特徴を特定するとともに、冷たい原子系およびキャビティQED系における実装可能性を議論し、開いた量子系における量子臨界定常状態とデコherence機構について理論的知見を提供する。

ABSTRACT

Spin-boson models are essentially useful in the understanding of quantum optics, nuclear physics, quantum dissipation, and quantum computation. We discuss quantum phase transitions in various spin-boson Hamiltonians, compare, and contrast them. We summarize the theoretical concepts and results, open questions and implementations of those ideas in cold atomic and QED cavity systems are also addressed.

研究の動機と目的

• 量子光学、量子計算、および凝縮系物理学の分野において、さまざまなスピン・ボソンハミルトニアンにおける量子相転移を分析すること。
• 散乱および結合強度の異なる条件下での、さまざまなスピン・ボソンモデルの挙動を比較・対比すること。
• 開放系における量子臨界定常状態の普遍的理論的特徴を特定すること。
• 冷たい原子ガスおよび超伝導回路におけるキャビティ量子電磁力学（QED）構成を用いた、これらの相転移の実験的実現可能性を検討すること。

提案手法

• 異なる結合強度およびバースpectral密度を有するスピン・ボソンハミルトニアンの理論的分析。
• 量子相の安定性を調査するための摂動的および非摂動的技法の使用。
• レノルミズェーション群法を用いて位相図における固定点および臨界定数を同定する。
• 弱い結合と強い結合の領域を比較し、量子的位相の coherent および incoherent な挙動を区別する。
• キャビティQED実装をモデル化するための光場自由度の組み込み。
• 系パラメータの関数として局在状態と拡散状態の間の遷移を数値的および解析的に研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるバーススペクトル密度は、スピン・ボソンモデルにおける量子相転移の性質にどのように影響を与えるか？
• RQ2 散乱は、相転移中に量子もつれを安定化するか、破壊するか、果たす役割は何か？
• RQ3 キャビティQED系における光・物質結合は、標準的なスピン・ボソンモデルの挙動をどのように模倣するか、あるいは拡張するか？
• RQ4 冷たい原子系および超伝導回路におけるさまざまなスピン・ボソン実装において、普遍的なスケーリング行動を同定できるか？
• RQ5 非マークフ・バースダイナミクスを有する開放系における量子臨界定常状態の兆候は何か？

主な発見

• スピン・ボソン系における量子相転移は、スピントンネル効果とバースに起因するデコherenceの間の競合によって支配され、局在的および拡散的相が明確に分かれる。
• 相転移は、バーススペクトル密度に依存する臨界定数結合強度によって特徴づけられ、オヒム的および準オヒム的バースでは異なる臨界定常的挙動を示す。
• 非摂動的技法により、強い散乱が量子もつれを抑制し、系を古典的・類似の状態へと駆り立てる可能性が明らかになった。
• キャビティQED系は、光・物質結合の調整可能性と低減されたデコherenceの両方を備えており、これらの相転移を観測する実現可能なプラットフォームを提供する。
• 臨界定常領域では普遍的スケーリング則が出現し、多様な物理的実装における共通の理論的基盤を示唆している。
• 冷たい原子系は結合およびバースパラメータの精密な制御を可能にし、これらの相転移を実験的に探査する有望な道筋を提供する。