[論文レビュー] Switching of the information backflow between a helical spin system and non-Markovian bath

Michał Kaczor, I. Tralle+3 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2022

Neural Networks and Reservoir Computing参考文献 34被引用数 10

ひとこと要約

本研究は、非マーカフ的磁気フォノン浴に結合されたヘリカルスピンリングにおける情報の逆流を調査し、外部の電場および磁場が量子情報の流れの方向を切り替えることができることを示している。トレース距離の微分を用いた解析により、著者らは、情報損失（負の微分）と回復（正の微分）の交互に現れる周期的変動を明らかにした。磁場は情報の流れの方向を迅速に切り替えるのを可能にし、電場はジャローシュキン＝モリヤ相互作用の制御により、これらの期間を再編成する。

ABSTRACT

The dissipative dynamics of the spin chain coupled to the non-Markovian magnonic reservoir was studied. The chirality of the chain is formed due to the magnetoelectric coupling. We explored the sign of the trace distance derivative and found the alternating positive/negative periods in system's time evolution. The negative sign is associated with the flow of information from the system to the bath and decrease in states distinguishability, while the positive sign is related to the flow of the information in the opposite direction and increase in distinguishability. We found the distinct effect of the applied electric and magnetic fields. While the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and external electric field lead to reshuffling of the periods, the applied magnetic field leads to the swift positive-negative transitions. Thus, in the helical quantum rings coupled to the non-Markovian magnonic baths, it is possible to control the directions of information flow through the external fields.

研究の動機と目的

• 非マーカフ的ダイナミクスがスピンチェーンと磁気フォノンバースに結合された系においてどのように現れるかを調査すること。
• トレース距離の微分を用いた情報の逆流の時間発展を分析すること。
• 外部の電場および磁場が情報の流れの方向とタイミングにどのように影響を与えるかを調査すること。
• 調整可能な外部場を用いて、オープンな量子系における区別可能性とコherenceを制御できることを示すこと。

提案手法

• ジャローシュキン＝モリヤ（DM）相互作用および磁電気結合を有する有限1次元ヘリカルスピンリングとして系をモデル化すること。
• ホルシュタイン＝プリマコフ変換を用いてスピンバースをボソン的フォノンモードに写像すること。
• 系、バース、および系-バース相互作用項を含む全ハミルトニアンを定式化すること。
• 系の単一励起部分空間におけるシュレーディンガー方程式を用いてダイナミクスを記述すること。
• ゲージ変換を適用し、系の係数の時間発展を記述する閉じた方程式を導出すること。
• ラプラス変換および留数計算を用いて、小規模な系（例：N=3）における時間依存係数を解析的に解くこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非マーカフ的オープン量子系において、トレース距離の微分の符号が情報の流れの方向をどのように示すか。
• RQ2 ジャローシュキン＝モリヤ相互作用が情報の逆流の時間的パターンに果たす役割は何か。
• RQ3 外部電場が情報損失と回復の交互な変動にどのように影響を与えるか。
• RQ4 外部磁場が情報の流れの切り替え周波数にどのように影響を与えるか。
• RQ5 外部場を用いて情報の逆流の方向とタイミングを能動的に制御できるか。

主な発見

• トレース距離の微分の符号が時間とともに正と負を交互に変化し、情報損失（負）と回復（正）の周期的切り替えを示している。
• 負の微分は、系からバースへの情報の流れと、量子状態の区別可能性の低下を示している。
• 正の微分は、バースから系への情報の逆流を示しており、状態の区別可能性を向上させている。
• 外部磁場により、正の微分フェーズと負の微分フェーズの間を迅速に遷移させることができ、情報の流れの方向の高速切り替えが可能になる。
• ジャローシュキン＝モリヤ相互作用および外部電場により、正の期間と負の期間の配置が再編成されるが、全体の周波数は変化しない。
• 系のダイナミクスは、系の時間スケールと同等の非マーカフ的バースに支配されており、マーカフ近似が成立せず、可逆的な情報交換が可能になる。