[논문 리뷰] Adiabatic preparation of entangled, magnetically ordered states with cold bosons in optical lattices

Araceli Venegas‐Gomez, Johannes Schachenmayer외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates참고 문헌 68인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 광학 격자 내 이성분 초냉각 보존에서 강한 양자 얽힘과 자성 순서 상태를 준비하기 위한 등온 램핑 프로토콜을 제안한다. 이는 효과적인 스핀-1/2 및 스핀-1 모델로 귀결되며, 행렬 곱 상태 시뮬레이션을 통해 이러한 상태들이 강력하게 향상된 양자 피셔 정보(QFI)를 나타내어 정밀 측정 응용에서 뛰어난 잠재력을 지닌다는 것을 입증한다. 또한, 허브의 영향을 받는 상태의 품질만으로 예측되는 것보다 얽힘 생성이 열화에 더 강건하다는 것을 보여준다.

ABSTRACT

We analyze a scheme for preparation of magnetically ordered states of two-component bosonic atoms in optical lattices. We compute the dynamics during adiabatic and optimized time-dependent ramps to produce ground states of effective spin Hamiltonians, and determine the robustness to decoherence for realistic experimental system sizes and timescales. Ramping parameters near a phase transition point in both effective spin-1/2 and spin-1 models produces entangled spin-symmetric states that have potential future applications in quantum enhanced measurement. The preparation of these states and their robustness to decoherence is quantified by computing the Quantum Fisher Information of final states. We identify that the generation of useful entanglement should in general be more robust to heating than it would be implied by the state fidelity, with corresponding implications for practical applications.

연구 동기 및 목표

• 광학 격자 내 이성분 초냉각 보존에서 자성 순서가 있는 양자 얽힌 기본 상태를 준비하는 강건한 프로토콜을 개발하는 것.
• 양자 피셔 정보(QFI)를 사용하여 이러한 상태가 양자 정밀 측정에 얼마나 유용한지 정량화하는 것.
• 실제 실험 조건에서의 분해 및 가열에 대한 등온 상태 준비의 안정성을 분석하는 것.
• 소실이 존재하는 조건에서 상태 품질과 얽힘 강건성 간의 관계를 조사하는 것.
• 메타정상점 근처에서 메타물리적 유용성을 극대화하는 최적의 램프 파aram터를 규명하는 것.

제안 방법

• 강한 온사이트 상호작용을 가진 Mott 절연체 영역에서 이성분 보즈-허브하드 모델을 사용하여 2차 펌프론 이론을 통해 효과적인 스핀 해밀토니안을 유도하는 것.
• 채움 비율(n=1 또는 n=2)에 따라 효과적인 스핀-1/2 XXZ 및 스핀-1 헤이젠베르크 모델로 시스템을 매핑하는 것.
• 제어된 결합 차원을 가진 1차원 시스템에서 시간 진동 및 등온 램프를 시뮬레이션하기 위해 행렬 곱 상태(MPS) 기법을 사용하는 것.
• 최종 상태의 양자 피셔 정보(QFI)를 계산하여 정밀 측정 유용성과 얽힘 깊이를 정량화하는 것.
• 비가역 상태에서 목표 기본 상태 근처의 전이점에 가까운 메타정상점에서 등온 및 최적화된 시간 의존 램프를 시행하는 것.
• 실제 분해 조건을 반영하기 위해 시뮬레이션에 제어된 소실(예: 가열)을 도입하여 얽힘과 QFI의 강건성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 격자 내 이성분 초냉각 보존에서 등온 램프가 고 품질과 강건성을 갖는 자성 순서가 있는 얽힌 기본 상태를 준비할 수 있는가?
• RQ2 효과적인 스핀-1/2 및 스핀-1 모델에서 전이점 근처에서 최종 상태의 양자 피셔 정보(QFI)는 시스템 크기와 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 정밀 측정에 유용한 얽힘 생성이 상태 품질만으로 예측되는 것보다 가열에 더 강건한가?
• RQ4 실제 실험 시간 척도에서 QFI를 극대화하고 오류를 최소화하기 위해 최적의 램프 프로토콜(등온 대비 최적화)은 무엇인가?
• RQ5 분해가 존재할 경우 최종 상태의 QFI와 얽힘은 어떻게 영향을 받는가? 그리고 가열이 존재하더라도 유용한 얽힘은 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 스핀-1/2 및 스핀-1 효과적 모델에서 전이점 근처의 등온 램프는 강력하게 향상된 양자 피셔 정보(QFI)를 가진 기본 상태를 생성하여, 양자 정밀 측정에 매우 높은 잠재력을 지닌다.
• QFI는 시스템 크기와 함께 초선형적으로 스케일링되며, 생성된 얽힘은 비트리비얼하며 표준 양자 한계를 뛰어넘는 데 유용하다는 것을 시사한다.
• 이 프로토콜은 실제 시스템 크기(최대 20개의 격자점)와 현재 실험에 적합한 시간 척도에서 스핀 대칭성과 얽힌 상태를 고 품질로 성공적으로 준비한다.
• 강건성 분석 결과, 상태 품질이 암시하는 것보다 얽힘 생성이 가열에 더 강건한 것으로 나타나, QFI는 단순한 품질 지표보다 실용적 유용성에 더 좋은 지표임을 시사한다.
• 최적화된 시간 의존 램프는 특히 임계점 근처에서 표준 등온 프로토콜보다 오류를 줄이고 QFI를 향상시키는 데 뛰어나다.
• 연구 결과, QFI는 중간 정도의 분해가 존재하더라도 높은 수준을 유지함을 확인하여, 실험적으로 접근 가능한 범위에서 가열이 존재하더라도 유용한 얽힘이 유지될 수 있음을 시사한다.