[論文レビュー] Universal Cooling Scheme for Quantum Simulation

Tin-Lun Ho, Qi Zhou|ArXiv.org|Nov 29, 2009

Quantum Computing Algorithms and Architecture参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、外側のポテンシャルウエルを断熱的に拡張することで、関心領域から直接エントロピーを抽出する普遍的で連続的な冷却スキームを提案する。この方法により、中心密度を一定に保ちつつ連続的な蒸発冷却に類似した冷却が可能となり、粒子あたりのエントロピーを320倍低減し、5×10⁻⁴kBまで低下させる。また、内部加熱を効果的に抑制し、強く相関する量子相をシミュレートするために不可欠な超低温度領域へのアクセスを可能にする。

ABSTRACT

At present, there is a worldwide effort to use cold atoms to simulate strongly correlated quantum many-body systems. It is hoped that these "simulations" will provide solutions to many unsolved problems. However, the relevant energy scales in most of these experiments are so small that one has to go to entropy regimes far below those achievable today. Here, we present a general scheme to extract entropy directly from the region of interest. The late stage of this process is equivalent to a continuous "evaporation", and is able to combat intrinsic heating of the system. For illustration, we show how to cool a weak coupling BCS superfluid (with $T_{c}\sim 10^{-10}$K) to $10^{-11}$K with this simple procedure, with entropy per particle as low as $5 imes 10^{-4}k_{B}$ in the superfluid region.

研究の動機と目的

• 超低温原子を用いた量子シミュレーションにおいて、超低温および超低エントロピーを達成するという重要な課題に対処すること。
• バンド絶縁体に基づくエントロピー排出に依存する従来の冷却手法の限界を克服すること。特に、非可圧縮相を有さない系に適用できない点を改善すること。
• 内部加熱に耐えうる普遍的で連続的な冷却機構を構築し、10⁻¹¹ K未満のエネルギースケールへのアクセスを可能にすること。
• 冷却中に高い中心密度を維持することで、従来の蒸発冷却とは異なり、T/EFおよび粒子あたりのエントロピーを顕著に低減すること。
• すべての量子ガス、特に混合系や内部自由度を有する系に適用可能なスケーラブルで普遍的なフレームワークを提供すること。

提案手法

• 本スキームは、中心部に注目対象の系を有する「ディムプル」領域（領域A）と、拡張可能な外側領域（領域B）からなる二領域ポテンシャルを用いる。
• 領域Bを断熱的に拡張させつつ、化学ポテンシャルμをディムプルのトップ付近に保つことで、領域Aからエントロピーと粒子が連続的に排出される。
• 重要な条件は、μ − V(0) の差を一定に保つことであり、これにより拡張中にT/μ̃が減少し、連続的な冷却が可能になる。
• このプロセスは、高温粒子が選択的に除去される連続的蒸発に類似しているが、標準的な蒸発冷却とは異なり、中心密度およびフェルミエネルギーEFが固定されたままである。
• 本手法は断熱性と系の平衡化に依存しており、超低温においては平衡化時間が増加するため、冷却パワーに限界が生じる。
• 本アプローチは、フェルミガス、ボーズガス、混合系、光格子系を含む任意の量子ガスに適用可能であり、拡張中に系が平衡化できることが前提である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非可圧縮相を経由する必要のない、関心領域から直接エントロピーを抽出する普遍的冷却スキームを開発可能か？
• RQ2 散乱放射などのプロセスに起因する内部加熱に対処するため、冷却を連続的かつ効果的に実現可能か？
• RQ3 中心密度およびフェルミエネルギーを一定に保ったまま、粒子あたりのエントロピーをどの程度まで低減可能か？
• RQ4 超低温において平衡化時間が増加するに伴い、冷却パワーに及ぼされる根本的限界は何か？
• RQ5 このスキームは、反強磁性3次元 Hubbard モデルのような奇妙な量子相をシミュレートするために必要な超低エントロピー領域（例：5×10⁻⁴kB）に到達可能か？

主な発見

• ディムプル領域における粒子あたりのエントロピーが、初期値から320倍低減され、(S/N)dim ≈ 0.0014kB まで低下した。
• スーパーフルイド領域に限れば、初期値と比較してエントロピーが900倍低減された。
• 本手法により、スーパーフルイド相においても粒子あたりのエントロピーが5×10⁻⁴kBまで低下し、10⁻¹¹ K未満のエネルギースケールへのアクセスが可能になった。
• 冷却プロセスは連続的蒸発と同等であるが、標準的な蒸発冷却とは異なり、中心密度およびフェルミエネルギーを一定に保つため、T/EFおよび粒子あたりのエントロピーの顕著な低減が可能である。
• 系が平衡化できる限り本スキームは有効であり、超低温における平衡化時間の増加が最終的な冷却限界を決定づける。
• 本手法は、混合系や内部自由度を有する系を含むすべての量子ガスに普遍的に適用可能であり、バンド絶縁体や非可圧縮相の存在を必要としない。