[論文レビュー] Thermal quantum correlations and teleportation under PT-symmetric system

J. Ramya Parkavi, R. Muthuganesan+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、PT対称性を有する操作を施したヘイゼンベルクXYスピン模型における量子もつれおよび量子テレポーテーションを調査する。PT対称性がもつれを越えて測定誘発非局所性を含む量子もつれを強化することを示し、標準的手法が失敗する高温度領域においても安定で周期的なテレポーテーションの忠実度を実現する。

ABSTRACT

In this article, we exploit the different notions of quantumness measure to understand the properties of the Heisenberg XY model with and without PT-symmetric operation. In the absence of PT-symmetry, we study the significance of different measures, namely entanglement and measurement induced nonlocality (MIN), in the detection of the quantumness of the Heisenberg XY model. It is observed that the quantum correlations and teleportation fidelity monotonically decreases with respect to temperature. Furthermore, the intervention of PT-symmetric operation enhances the strengths of quantum correlation. In addition, we highlight the role of the system's parameters and PT-symmetric operation on the teleportation of a quantum state. Our results also emphasize that after the addition of PT-symmetric operation, the considered physical model remains a versatile resource to achieve successful teleportation of the quantum state.

研究の動機と目的

• エンタングルメント、測定誘発非局所性（MIN）、ベル非局所性を含む複数の指標を用いて、ヘイゼンベルクXY模型における量子もつれを分析すること。
• 熱的もつれ状態におけるPT対称性操作の量子もつれおよびテレポーテーション忠実度に与える影響を調査すること。
• 非ユニタリなPT対称性ダイナミクスが、もつれの限界を超えて量子テレポーテーションを保護または再生可能にするかを特定すること。
• 非エルミート的ダイナミクスおよび熱雑音下における、さまざまな量子もつれ指標（特にMIN）の耐性を比較すること。
• 系のパラメータ（例：γ、φ、J、B）がPT対称性ダイナミクス下でテレポーテーション忠実度の維持に与える影響を明らかにすること。

提案手法

• 調整可能な相互作用および外部場を有する多体量子系として、ヘイゼンベルクXYスピン模型を採用した。
• ゲインとロス項を有する非エルミートハミルトニアンを用いて、非ユニタリなPT対称性操作を実装し、複素数の結合パラメータ（γ）でモデル化した。
• 量子もつれ指標として、concurrenceを用いたエンタングルメント、測定誘発非局所性（MIN）、ベル非局所性を計算した。
• 密度行列形式を用いて非ユニタリダイナミクス下での時間発展をシミュレートし、さまざまな温度（T = 1, 4, 6）における熱状態を用いた。
• ベル状態測定と再構成忠実度を用いた標準的手法により、テレポーテーション忠実度を評価した。
• 非ユニタリ性の強さ（γ）、XY平面内の角度（φ）、スピン交換結合（J）、磁場（B）といったパラメータを系統的に変化させ、その影響を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PT対称性を有さない状況下で、熱雑音下におけるヘイゼンベルクXY模型における、エンタングルメント、MIN、ベル非局所性といった異なる量子もつれ指標の挙動はいかなるものか？
• RQ2 PT対称性操作が、熱デコherenceを伴う状況下で、量子もつれをどれほど強化し、テレポーテーション忠実度を安定化させるか？
• RQ3 非エルミート的かつ熱的に混合された系において、測定誘発非局所性はエンタングルメントよりも頑健な非局所性の指標として機能するか？
• RQ4 PT対称性ハミルトニアンのパラメータ（例：γ、φ）が、テレポーテーション忠実度のダイナミクスおよびもつれの再生に与える影響は何か？
• RQ5 非ユニタリなPT対称性ダイナミクスは、もつれの突然死を防ぎ、テレポーテーション性能の周期的再生を可能にするか？

主な発見

• PT対称性が存在しない状況では、量子もつれおよびテレポーテーション忠実度は温度上昇に伴い単調に減少し、もつれは高温度で突然死を示す。
• PT対称性操作により、すべての量子もつれ指標が顕著に向上し、とくにMINが顕著に増加する。もつれが消失しても非局所性が持続することを示しており、非局所性がもつれを越えて存在することを示している。
• PT対称性ダイナミクス下でのテレポーテーション忠実度は、減少から周期的振動に移行し、非ユニタリ性（γ）が小さいほど最大忠実度が維持され、振動の周期が短くなる。
• γ = -0.01のとき、γ = 0.05のときよりも最大テレポーテーション忠実度が向上しており、低負の非ユニタリ性強度で最適性能が達成されている。
• 高温度（T = 4およびT = 6）においても、PT対称性操作により周期的な忠実度の振動が維持され、熱デコherenceに対して頑健であることが示された。
• もつれが存在しない状況下でも、系は量子テレポーテーションの有効なリソースとして機能し、非ユニタリなダイナミクス下でMINが非局所性の指標として優位であることが強調された。