[論文レビュー] Simulation of neutrino oscillations using discrete-time quantum walk

Arindam Mallick, Sanjoy Mandal+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、ニュートリノのフレーバー遷移を量子ウォークの進化演算子にマッピングすることで、3世代のニュートリノ振動をシミュレートする離散時間量子ウォークフレームワークを提案する。実験的に覀測された振動確率を再現する特定の量子ウォークパラメータを同定し、6レベル系やキュービット-キュトゥル系などの低エネルギー系での物理的実現可能性を示している。また、スピン-位置の量子もつれを波動関数の拡散の指標として定量化している。

ABSTRACT

Here we present neutrino oscillation in the frame-work of quantum walks. Starting from a one spatial dimensional discrete-time quantum walk we present a scheme of evolutions that will simulate neutrino oscillation. The set of quantum walk parameters which is required to reproduce the oscillation probability profile obtained in both, long range and short range neutrino experiment is explicitly presented. Our scheme to simulate three-generation neutrino oscillation from quantum walk evolution operators can be physically realized in any low energy experimental set-up with access to control a single six-level system, a multiparticle three-qubit or a qubit-qutrit system. We also present the entanglement between spins and position space, during neutrino propagation that will quantify the wave function delocalization around instantaneous average position of the neutrino. This work will contribute towards understanding neutrino oscillation in the framework of the quantum information perspective.

研究の動機と目的

• 量子情報フレームワーク内でニュートリノ振動をシミュレートする量子ウォークベースのモデルを確立すること。
• 長距離および短距離のニュートリノ振動確率プロファイルを再現するための特定の量子ウォークパラメータを同定すること。
• 6レベル系やキュービット-キュトゥル系などの制御可能な量子系を用いて、3世代のニュートリノ振動を物理的に実現できることを示すこと。
• ニュートリノ伝搬中のスピン（フレーバー）と位置（空間）自由度の間のもつれを、波動関数の拡散の指標として定量化すること。

提案手法

• 研究では、ニュートリノ伝搬の基礎的モデルとして1次元の離散時間量子ウォークを採用する。
• 量子ウォークにおける進化演算子は、3世代のニュートリノのフレーバー遷移ダイナミクスを模倣するように設計される。
• 量子ウォークのパラメータ（コイン演算子の角度や初期状態の準備など）は、観測されたニュートリノ振動確率に一致するように調整される。
• 量子ウォークの進化を物理的に実現するために、6レベル系または3キュービット/キュービット-キュトゥル系が使用される。
• スピン（フレーバー）と位置（空間）自由度の間のもつれが計算され、伝搬中の波動関数の拡散を定量化する。
• 得られた振動確率が長距離および短距離のニュートリノ実験の結果と一致することにより、フレームワークの妥当性が検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 離散時間量子ウォークは、長距離および短距離のニュートリノ実験で観測された振動確率プロファイルを再現できるか？
• RQ2 3世代のニュートリノ振動を正確にシミュレートするためには、どのような特定の量子ウォークパラメータが必要か？
• RQ3 量子ウォークモデルにおけるスピンと位置自由度のもつれは、どのようにしてニュートリノ波動関数の拡散を定量化できるか？
• RQ4 どのような低エネルギー物理系が、提案された量子ウォークモデルによるニュートリノ振動シミュレーションを実現できるか？
• RQ5 量子ウォークフレームワークは、ニュートリノ振動に新たな量子情報の視点をどのように提供するか？

主な発見

• 定義されたウォークパラメータを用いることで、量子ウォークモデルは長距離および短距離のニュートリノ実験で観測された振動確率プロファイルを成功裏に再現した。
• この手法は、1つの6レベル系、複数粒子の3キュービット系、またはキュービット-キュトゥル系といった低エネルギー系で物理的に実現可能である。
• 伝搬に伴い、スピンと位置自由度の間のもつれが増加し、ニュートリノ波動関数の平均位置周辺の拡散が定量化された。
• 量子ウォークの進化演算子からニュートリノフレーバー遷移ダイナミクスへの直接的なマッピングが可能であり、3世代の振動をシミュレートできる。
• このフレームワークは、量子ウォークのダイナミクスと素粒子の基本的挙動を結びつける、ニュートリノ振動に対する新たな量子情報の視点を提供する。