[논문 리뷰] Asymmetric steerability of quantum equilibrium and nonequilibrium steady states through entanglement detection

Kun Zhang, Jin Wang|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 21.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 83인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 블로흐-레드필드 방정식을 사용하여 비대칭(비평형) 환경에 연결된 두 개의 비가역 양자비트에서 비대칭 양자 스티어링을 조사한다. 비평형 환경에서 비제로 엔트로피 생성이 발생함에도 불구하고 한 방향으로의 스티어러빌리티가 향상됨을 보여주며, 평형 상태에서의 얽힘, 스티어링, 벨 비국소성 간의 엄격한 계층관계를 규명한다.

ABSTRACT

Einstein-Podolsky-Rosen steering describes a quantum correlation in addition to entanglement and Bell nonlocality. However, conceptually different from entanglement and Bell nonlocality, quantum steering has an asymmetric definition. Motivated by the asymmetric definition of quantum steering, we study the steerability of two-interacting qubits, which have asymmetric energy levels, coupled with asymmetric environments. The asymmetric (nonequilibrium) environments are two environments with different temperatures or chemical potentials. The Bloch-Redfield equation is applied to study the dynamics of two qubits and its long-time behavior. In our study, the steady-state steerability is determined by an experimentally friendly steering criteria, which demonstrates steering through the entanglement detection. Our results show that the steady states of two asymmetric qubits have the advantage for one direction of steering, compared to the symmetric setup. We also provide analytical results on the minimal coupling strength between the two qubits in order to be steerable. The asymmetric steerability is collectively determined by the nature of the two qubits and the influence from equilibrium or nonequilibrium environments. Nonequilibrium environments with the cost of nonzero entropy production can enhance the steerability in one direction. We also show the strict hierarchy of entanglement, steering and Bell nonlocality of the nonequilibrium steady states, which shows a richer structure of steering than entanglement and Bell nonlocality.

연구 동기 및 목표

• 비대칭 에너지 수준을 가진 두 상호작용하는 큐비트가 비대칭 환경에 연결된 경우의 스티어러빌리티를 조사하기 위해.
• 다른 온도 또는 화학 포텐셜을 가진 비평형 환경이 양자 스티어링에 어떤 영향을 미치는지 규명하기 위해.
• 비평형 평형 상태에서 얽힘, 스티어링, 벨 비국소성 간의 계층관계를 설정하기 위해.
• 최소 결합 강도 기반의 스티어러빌리티에 대한 분석적 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 두 큐비트가 개별 환경에 연결된 오픈 양자 동역학을 모델링하기 위해 블로흐-레드필드 방정식을 사용한다.
• 실험적으로 유용한 스티어링 기준을 적용하여 스티어러빌리티를 평가한다. 이 기준은 엽연 검출에 기반한다.
• 평형 및 비평형 조건 하에서 장시간 평형 상태 행동을 분석한다.
• 스티어러빌리티에 필요한 최소 결합 강도에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 린드블라드 마스터 방정식과의 비교를 통해 블로흐-레드필드가 공명성을 더 잘 포착하는 장점을 부각시킨다.
• 스티어러빌리티 향상과 관련된 열역학적 비용으로서의 엔트로피 생성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비평형 환경은 방향적으로 비대칭적인 방식으로 양자 스티어링을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 비대칭 큐비트 시스템에서 스티어러빌리티를 달성하기 위한 최소 결합 강도는 무엇인가?
• RQ3 비평형 평형 상태에서의 엽힘, 스티어링, 벨 비국소성의 계층관계는 평형 상태와 어떻게 다를까?
• RQ4 왜 비대칭 에너지 구조는 한 방향 스티어링을 가능하게 하고, 대칭 시스템은 그러한 스티어링을 보이지 않는가?
• RQ5 비평형 설정에서 엔트로피 생성은 어느 정도까지 향상된 스티어러빌리티와 상관관계가 있는가?

주요 결과

• 다른 온도 또는 화학 포텐셜을 가진 비평형 환경은 비제로 엔트로피 생성이 존재함에도 불구하고 한 방향으로의 스티어러빌리티를 향상시킨다.
• 다른 에너지 수준을 가진 비대칭 큐비트는 한 방향 스티어러빌리티를 보이지만, 동일한 엽연 검출 기준 하에서 대칭 큐비트는 어느 방향으로도 스티어러빌리티를 보이지 않는다.
• 스티어러빌리티에 필요한 최소 결합 강도는 분석적으로 유도되었으며, 에너지 갭과 환경 매개변수에 따라 달라진다.
• 엄격한 계층관계가 관찰된다: 비평형 평형 상태에서 엽힘 ≤ 스티어링 ≤ 벨 비국소성이며, 비대칭적 특성은 오직 스티어링에서만 나타난다.
• 블로흐-레드필드 형식은 린드블라드 형식보다 공명성과 비마르코프 효과를 더 잘 포착하여 비평형 평형 상태의 정확한 특성화를 가능하게 한다.
• 엽연 기반 스티어링 기준은 부분적으로 엽연된 혼합 상태에서 실패하는 선형 스티어링 부등식과는 달리, 비대칭 스티어링을 성공적으로 탐지한다.